红光/近红外发射碳纳米点及其多光子荧光研究

Red/Near-infrared (NIR) emissive carbon nanodots (CNDs) have potential applications in the field of bio-imaging, however the photoluminescence (PL) quantum yield (QY) of CNDs in the region of red and NIR is still low, which limit their practical application. In addition, the NIR window, especially the NIR-III window (1600-1870 nm), is the best excitation window for deep tissue imaging, but multi-photon excited (MPE) fluorescence under excitation of NIR-III window is still not yet achieved for CNDs. In view of above problems, we plan to construct efficient sp2-congugated aromatic π symtems inside of CNDs to achieve high effieient red/NIR emission by using high sp2-conjugated precursor, and more donor - acceptor groups are introduced to improve the multi-photon absorption cross section. MPE fluorescence of CNDs under the excitation of NIR-III window may be realized based on the efficient red/NIR emissive CNDs. This project provide new ideas for efficient red/NIR emissive CNDs and MPE fluorescence, which may push forward the MPE fluorescence study of CNDs and the applications of CNDs in deep tissue bio-imaging.

红光/近红外发射碳纳米点在生物成像领域具有潜在的应用前景，但其在红光/近红外区域的光致发光量子效率仍然较低，限制了其实际应用。此外，近红外窗口特别是近红外III区窗口（1600-1870 nm）是所有近红外窗口中对深部组织成像最好的激发窗口，但碳纳米点在近红外III区窗口激发下的多光子荧光尚未实现。针对以上问题,我们拟通过采用高sp2共轭的前驱体在碳纳米点内部构建有效sp2共轭芳香体系来实现其高效的红/近红外发射，同时引入更多的供-受电子基团来提高碳纳米点的多光子吸收截面。基于所制备的红光/近红外发射的碳纳米点，我们有望实现其在近红外III区窗口激发下的多光子荧光。本项目为高效红光/近红外发射碳纳米点及其多光子荧光提供了新的思路，有望推动碳纳米点的多光子荧光研究及其在深部组织生物成像中的应用。

由于红光/近红外光穿透深度深，分辨率高，光损伤小等优点，在生物成像领域具有重要的应用前景。作为新一类无毒的纳米颗粒，红光/近红外发射的碳点引起了国内外研究人员的广泛关注。本项目以发展红光、近红外碳点为目标，研究其在生物光学成像以及多光子激发下的生物成像为目标开展研究。本研究，1、首先提出原位无溶剂碳化的方法制备了量子效率高达57%的红光/近红外发射的碳点，所制备的碳点的发光波长位于650-900 nm，并且实现了碳点在800 nm，1200 nm，1600 nm以及2000 nm激发下实现了双光子，三光子以及四光子荧光，并实现了基于此碳点单光子与双光子生物成像；2、发展了一种采用低成本生物质衍生的碳点的方法，该碳点能够集成发光和光动力于一体，具备了准确识别和杀死特定细菌的能力。杂原子掺杂和π共轭的内核增强了碳点近红外的发光特性，近红外光致发光量子产率达21.1%。 碳点表面固有的疏水基团可以使其凭借疏水作用选择性染色革兰氏阳性菌，在革兰氏阳性菌细菌膜上原位生成活性氧，5分钟内对革兰氏阳性细菌的灭活率可达99.99%；3、通过构建局域激发态(LE)和电荷转移态(CT)，实现了具有NIR-I发射和NIR-II吸收的碳点。碳点中碳核周围的电子给体(D)和受体(A)基团导致D-π-A电荷转移态，产生强烈的电子推拉效应，将碳点的吸收拓展至NIR-II区域，NIR-II区域中最大吸收峰在1033纳米处。同时，大共轭sp2刚性内核中产生以670纳米为中心的NIR-I生物窗口发射。这种“双面神”碳点集成了NIR-I发射和拓展的NIR-II窗口吸收，使其在近红外光激发下具有良好的多光子成像和光热转换能力，具有高达29%的光致发光量子产率和41.19%的光热转换效率。项目完成了预期的目标，处在整个领域的前沿。在Nano Letters, Advanced Science, Nano Today, ACS Nano, Light: Science & Applications发表学术论文11篇，申请国家发明专利6项，所取得的成果收到同行的广泛关注和引用评价。红光、近红外碳点制备及其多光子发光特性的研究，为其在生物光学成像领域的应用提供了有力的工具。