全彩色高效发光碳点的精准合成与分离及其生物技术应用

Carbon dots are a new kind of luminescent nanomaterials booming in the past ten years, which have broad applications in the field of fluorescence bioanalysis. However, the luminescent properties of carbon dots prepared by conventional methods are obviously inadequate, such as the emission peak confined to the blue region, the emission wavelength dependent on the excitation wavelength, the too low quantum yield in red region, and the fluorescence quenching in solid state. The key problem in improving the luminescent properties is, that the essential relationship between the composition of carbon dots and their luminescence characteristics is not clear at present. In this project, two hypotheses are put forward. Firstly, the common carbon dot samples are actually a mixture of nanoparticles with different diameters, different compositions and different luminescent characteristics. Secondly, the chemical synthesis of carbon dots is a free radical reaction, which is difficult to control precisely. On the basis of these two hypotheses, a new route is designed to synthesize carbon dots by combining chemical and electrochemical methods, as well as a multi-step separation and purification process. Afterwards, we will summarize the structure-activity relationship between the carbon dot compositions and their luminescent properties, and then prepare the desired products, including full-color highly-efficient luminescent carbon dots for cell imaging, near-infrared luminescent carbon dots for animal imaging, fluorescence probes for molecular recognition in biological analysis, and those applied in fingerprint identification and silkworms feeding.

碳点是最近十年兴起的一类新型纳米发光材料，在生物荧光分析领域具有广阔的应用前景。但是，通常方法制备的碳点发光性能明显不足，如发射峰局限在蓝光区、发射波长依赖于激发波长、红光量子产率太低、固态荧光猝灭等。目前，改良其发光性能所面临的关键问题是：碳点的组成结构与其发光特征之间的本质关系尚不清楚。本项目从研究这一科学问题入手，提出两个假说：第一，通常制备的碳点样品是由不同粒径、不同成分、不同发光特征的碳纳米粒子组成的混合物。第二，碳点的化学合成是自由基反应，难以精确调控。本项目依据这两个假说，设计了综合运用化学与电化学合成以及多步分离纯化碳点的新路线，以实现碳点精准合成与分离的目标。在此基础上，我们将总结碳点组成结构和发光性能之间的构效关系，并据此制备所需要的碳点，实现碳点在细胞成像中的全彩色高效发光，在动物成像中的近红外发光，在生物大分子测定中的靶向识别，以及在指纹鉴定、家蚕喂养等方面的应用。

碳点是碳材料家族一颗闪亮的新星，最近十几年国内外有关碳点的研究如火如荼。虽然合成碳点的原料极为丰富，制备方法多种多样，但是绝大多数情况下得到的产品都是复杂的混合物，需要繁琐的分离纯化才能得到发光波长单一、不随着激发波长改变而移动、量子产率高的碳点。一直以来，碳点的组成结构与其发光特征之间的本质关系不清楚，光致发光的机理众说纷纭。为此，本项目提出几条创新的合成路线和高效的分离方法，成功地制备了一系列全彩色发光碳点。这些碳点可稳定分散到各种溶剂中，发光波长可从450纳米调变到750纳米，发光峰单一且不随着激发波长移动，发射峰的半峰宽最低达到20纳米，量子产率最高超过80%（某些产品在阳光下就能发射肉眼可见的明亮荧光），荧光寿命只有单一组分（即每个碳点只有一个发光中心和一个发光过程）。大量的实验结果证实了我们在申请本项目时提出的两个基本假说：（1）常规方法合成的产品都是多种不同碳点的混合物；（2）自下而上生成碳点的过程是难以精确控制的自由基反应。我们提出的合成方法与分离技术有效地解决了上述难题，而且基于产品组成结构的均一性和光学性质的单一性，碳点组成结构和发光性能之间的构效关系也得到了完美的解释。这些高质量的荧光碳点被应用到各种生物技术领域，特别是在喂养家蚕生产荧光蚕丝方面取得了可喜的成果。实验证明某些碳点不仅具有优秀的发光性能，而且具有良好的生物兼容性、长期的稳定性和高度的重现性。经过4年坚持不懈的努力，本项目提出的研究内容全部圆满完成，绝大部分研究目标都已实现，研究成果发表在国际知名的学术刊物上，还申请了中国发明专利。项目负责人应邀在多个学术会议上宣讲这些成果，并且被几家新闻媒体采访报道。在本项目的支持下，我们建设了研究碳点合成与应用的实验室，培养了一批研究生，与多家高校、研究所、企业发展了合作关系，希望在未来几年内把碳点推向实际应用。