长春光机所研制出具有高效近红外吸收/发射的碳纳米点

近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员曲松楠课题组突破了碳基纳米点在近红外波段发光效率低的难题，首次研制出具有高效近红外吸收/发光特性的碳纳米点，实现了基于碳纳米点的活体近红外荧光成像，并在近红外-Ⅱ区（1400nm）激发下同时实现了双光子近红外发射和三光子红光发射，在基于碳基纳米点的活体近红外荧光成像研究中迈出重要一步。

发光碳纳米点具有无毒、优异的生物相容性，在生物医疗领域具有重大的应用前景。生物组织对近红外光（700−1700nm）的吸收和散射较弱，在近红外区进行活体荧光成像可以有效提高组织穿透深度并降低自荧光干扰，对其临床应用具有重要意义。现有的碳纳米点吸收和发射谱带主要位于紫外-可见区，不能实现在近红外区的高效吸收和高荧光量子效率近红外发光，严重限制了碳纳米点在生物荧光成像，特别是活体近红外荧光成像中的应用。

曲松楠课题组自2012年起，开展发光碳纳米点能带调控及应用的研究，先后开发出高效水溶性绿光碳纳米点，实现碳纳米点绿光光泵激光，实现基于碳纳米点的喷水荧光信息打印，开发出橙光波段发光效率最高的碳纳米点、具有高效光热转换功能的超碳纳米点。针对碳纳米点带隙难于调控到近红外区，并难于实现高效近红外发光的难题，曲松楠课题组通过对红光碳纳米点表面进行吸电子基团修饰及对碳基内核层有序结构的无序化调控，使层状碳基内核外片层与核内共轭结构分离，在近红外波段产生新的发光带隙，获得了在近红外光激发下具有高效近红外发射的碳纳米点，荧光量子效率达到10%，为国际最高值。以该碳纳米点为荧光成像试剂，实现了小鼠胃部及血液循环过程中的活体近红外荧光成像。同时，以近红外-Ⅱ区飞秒光激发该碳纳米点可以实现多光子诱导的红光/近红外发射。在1400nm飞秒光激发下同时实现了双光子诱导近红外发射和三光子诱导红光发射，该现象为国际上首次报道。该研究为碳纳米点在长波长区发光调控以及开发基于碳纳米点的近红外荧光成像试剂提供新的研究思路。

相关研究成果发表在《先进材料》上，并被选为该期封面，副研究员李迪为论文第一作者，曲松楠为通讯作者。该研究得到了中科院青年创新促进会、吉林省中青年科技创新领军人才及团队项目、吉林省科技厅自然科学基金等的资助。

图1. 通过表面吸电子基团修饰后构建近红外吸收/发射碳纳米点及其发光机制的示意图

　　图2. a)，碳纳米点@PVP复合物的吸收、发射光谱；b)，以碳纳米点@PVP复合物为成像试剂的近红外荧光成像；c-d）,小鼠胃部及尾静脉注射后血液循环过程中的活体近红外荧光成像。

　　图3.近红外-Ⅱ区飞秒光激发碳纳米点的多光子诱导发光。a-b)，1200nm飞秒光激发碳纳米点的发射光谱和发光强度-激发光功率曲线；c-d)，1400nm飞秒光激发碳纳米点的发射光谱和发光强度-激发光功率曲线。