本文由论文作者团队（课题组）投稿
2015年林恒伟课题组以苯二胺为前驱体成功制备出红光碳点，这为长波长发光碳点的制备开辟出一条新的道路。越来越多的人开始以芳香类化合物为前驱体成功制备出长波长发射的红光碳点。研究者们推测其原因为芳香类前驱体本身具有良好的共轭结构，且容易通过脱水、脱氨等的方式聚合碳化。因此其碳化形成的碳点更容易拥有较大的有效共轭结构。此外，在芳香类前驱体聚合碳化的过程中极易形成多环芳香类的荧光分子。该分子可与碳点交互并主导碳点的荧光，且其与碳点的荧光性质极其相似。然而，由于碳点复杂和不明确的结构，此类碳点的荧光机理缺少明确的解释。究竟是更大的有效共轭结构还是交互的分子荧光团在主导此类碳点的发光呢？
近日，来自北京工业大学的研究团队以邻苯二胺(oPD)和邻苯二酚(CAT)为前驱体，通过控制碳点合成的过程，成功分离出一系列的分子并确定了其结构。确定了该碳点的荧光来源于分子态的二氢-5,7,12,14-四氮并五苯(DHQP)，其由中间体酚嗪、2,3-二氨基酚嗪进一步反应得到。最后其进一步碳化嵌于石墨化的碳核内部或者连接于碳核的边缘，最终导致碳点的发光与DHQP相似(如图1所示)。
该成果以Formation process and fluorescence mechanism of o-phenylendiamine and catechol system red emission carbon dots为题发表在Light: Science & Applications。
图1 oPD+CAT红光碳点形成过程
相对于分子态的DHQP，该碳点展现出更多的优势，例如更好的溶解性，更高的光稳定性和热稳定性等。在光学性质上，他们具有相似的荧光发射峰。其荧光性质随着pH和溶剂极性的变化展现出相似的变化趋势。
有趣的是，碳点在285 nm处的吸收相对DHQP对红光发射的贡献较小。这是由于在碳点中处于激发态上的电子可能通过非辐射跃迁的方式转移到CDs (Sn)能级。新的激发能级(Sn)位于与318 nm和366 nm吸收带相关的S1和S2能级之间。处于S2能级上的电子可以转移到CDs的Sn上，这与S2和S1能级之间的内部转换相竞争(图2)。介于分子态和碳核态之间的电子转移，导致碳点285 nm波段激发的PL强度降低。
图2 DHQP 与碳点的荧光机理图
分子态发光的碳点，既发挥了荧光分子优异的光学性质，同时也保留了碳点良好的溶解性、稳定性、生物相容性等的优异性质，弥补了荧光分子在一些应用领域上的短板。有望成为传统有机光学材料的新兴替代品。
碳点结构的确认以及荧光机理的揭示极大的推动了人们对碳点的认识，有助于碳点的定向设计和精确合成。通过定向设计可以制备出各异光学性质，同时满足不同环境应用条件的碳点。到目前为止，碳点依旧展现出巨大和深厚的潜力，许多碳点的性质和机理仍然是未知的，其背后隐藏的价值也是令人期待的！
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