長春光機所研制出具有高效近紅外吸收／發射的碳納米點

　　近日，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研究員曲松楠課題組突破了碳基納米點在近紅外波段發光效率低的難題，首次研制出具有高效近紅外吸收/發光特性的碳納米點，實現了基于碳納米點的活體近紅外熒光成像，并在近紅外-Ⅱ區（1400nm）激發下同時實現了雙光子近紅外發射和三光子紅光發射，在基于碳基納米點的活體近紅外熒光成像研究中邁出重要一步。

　　發光碳納米點具有無毒、優異的生物相容性，在生物醫療領域具有重大的應用前景。生物組織對近紅外光（700?1700nm）的吸收和散射較弱，在近紅外區進行活體熒光成像可以有效提高組織穿透深度并降低自熒光干擾，對其臨床應用具有重要意義。現有的碳納米點吸收和發射譜帶主要位于紫外-可見區，不能實現在近紅外區的高效吸收和高熒光量子效率近紅外發光，嚴重限制了碳納米點在生物熒光成像，特別是活體近紅外熒光成像中的應用。

　　曲松楠課題組自2012年起，開展發光碳納米點能帶調控及應用的研究，先后開發出高效水溶性綠光碳納米點，實現碳納米點綠光光泵激光，實現基于碳納米點的噴水熒光信息打印，開發出橙光波段發光效率最高的碳納米點、具有高效光熱轉換功能的超碳納米點。針對碳納米點帶隙難于調控到近紅外區，并難于實現高效近紅外發光的難題，曲松楠課題組通過對紅光碳納米點表面進行吸電子基團修飾及對碳基內核層有序結構的無序化調控，使層狀碳基內核外片層與核內共軛結構分離，在近紅外波段產生新的發光帶隙，獲得了在近紅外光激發下具有高效近紅外發射的碳納米點，熒光量子效率達到10%，為國際最高值。以該碳納米點為熒光成像試劑，實現了小鼠胃部及血液循環過程中的活體近紅外熒光成像。同時，以近紅外-Ⅱ區飛秒光激發該碳納米點可以實現多光子誘導的紅光/近紅外發射。在1400nm飛秒光激發下同時實現了雙光子誘導近紅外發射和三光子誘導紅光發射，該現象為國際上首次報道。該研究為碳納米點在長波長區發光調控以及開發基于碳納米點的近紅外熒光成像試劑提供新的研究思路。

　　相關研究成果發表在《先進材料》上，并被選為該期封面，副研究員李迪為論文第一作者，曲松楠為通訊作者。該研究得到了中科院青年創新促進會、吉林省中青年科技創新領軍人才及團隊項目、吉林省科技廳自然科學基金等的資助。

圖1. 通過表面吸電子基團修飾后構建近紅外吸收/發射碳納米點及其發光機制的示意圖

　　圖2. a)，碳納米點@PVP復合物的吸收、發射光譜；b)，以碳納米點@PVP復合物為成像試劑的近紅外熒光成像；c-d）,小鼠胃部及尾靜脈注射后血液循環過程中的活體近紅外熒光成像。

　　圖3.近紅外-Ⅱ區飛秒光激發碳納米點的多光子誘導發光。a-b)，1200nm飛秒光激發碳納米點的發射光譜和發光強度-激發光功率曲線；c-d)，1400nm飛秒光激發碳納米點的發射光譜和發光強度-激發光功率曲線。