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澳大曲松楠Adv. Sci.:首次实现碳点水相近红外主吸收和主发射

邃瞳科学云

2022-06-08

导读：本文通过溶剂热熔合大共轭前体得到水溶液中主吸收和主发射位于近红外波段的碳点。

背景介绍

近红外光（700nm-1700nm）因其高组织穿透深度和低组织自发荧光被认为是生物荧光成像的理想波段。碳点（Carbon Dots，CDs）作为一类零维发光碳材料而大放异彩。碳点的发光带隙的调控一直以来是领域科研工作者的兴趣所在。

最初，自上而下制备的碳点多发蓝光，后来通过自下而上的合成方法获得丰富发光特性的碳点。起初，我们课题组通利用无共轭小分子柠檬酸和尿素作为原料，通过调控溶剂的质子特性（从水到甘油再到DMF），溶剂热合成了蓝光、绿光、红光发射的碳点。随着碳点的尺寸增加，碳点的发光逐渐红移（Adv. Opt. Mater. 2017, 5, 1700416.）。在之后的研究中，通过在表面引入吸电子基团，实现了近红外波段明显的吸收和发射（Adv. Mater. 2018, 30, 1705913.）。为了增大表面吸电子基团对共轭内核的作用，我们通过微波辅助的方法对石墨结构的碳点进行层剥离，使之成为单/双片层的碳点，表面的吸电子基团作用增大，使其主吸收峰红移至近红外区（Small 2019, 15, 1905050.）。但由于这种表面引入吸电子基的表面态发光策略受溶剂的影响很大，其仅能在有机溶剂如DMSO, DMF等溶剂中实现近红外发射，而在水溶液中被严重淬灭。而生物体液是水环境，要实现近红外生物荧光成像必须实现水环境下的高效近红外吸收和发射。

于是我们把方向转向前体的选择。通过文献调研，我们发现用小共轭分子如苯二胺等为原料合成的碳点的带隙能被调控到红色，但难以到达近红外波段。理论计算表明，大约2 nm 粒径的共轭碳点的光学带隙即可达到近红外波段，而目前报道的碳点多数都超过了这个尺寸，说明这些碳点的有效共轭程度“不够”。这些用非共轭分子或小共轭分子为前体合成的碳点在反应过程中留下了太多的非共轭区域，导致了共轭程度的降低，进而很难实现窄的近红外发光带隙。为此，我们提出选用较大共轭域的分子为前体的设想，让合成的碳点的共轭程度更高，以实现将光学带隙调控到近红外的目标。

在这个想法的鼓舞下，经过一番筛选，我们最后选择了便宜易得的含有五个苯环的苝四酸酐（PTCDA）分子。PTCDA与尿素分子通过溶剂热合成的CDs，首次实现了在水溶液中的主吸收峰和主发射峰位于近红外波段的目标。

相关成果以“Toward Strong Near-Infrared Absorption/Emission from Carbon Dots in Aqueous Media through Solvothermal Fusion of Large Conjugated Perylene Derivatives with Post-Surface Engineering”为题发表在 Advanced Science 上。通讯作者为澳门大学曲松楠教授，第一作者为澳门大学博士生刘钰鹏，博士后雷海鹏和博士生王刚。

图文解析

在溶剂热条件下，PTCDA与尿素分子共价熔合形成具有扩展π共轭体系的刚性类石墨烯片，这有助于CDs的NIR发射。通过添加PEI进行溶剂热处理后，PEI 分子使CDs表面发生了改性，从而阻止了水分子与其共轭碳核的相互作用，从而提高了水溶液中的NIR发射。

示意图.jpg 示意图1：CDs和PEI-CDs的合成示意图。

TEM显示CDs是单分散的，平均粒径为3.3±0.7 nm，具有明显的类石墨（100）晶面间距（0.21nm）。从AFM高度分布图可以看出CDs主要是由单层/少数几层类石墨烯片组成。拉曼光谱显示CDs只有明显的“G”带，而“D”带几乎看不到，说明合成的CDs具有高度的石墨化共轭结构。和PTCDA相比，CDs的FTIR中Ar-H键/酸酐羰基的减少或消失和酰胺羰基的出现共同证实了熔合过程。XPS也进一步证实了这一点。

图1：CDs的结构表征。

原料PTCDA的吸收位于可见光区，相比之下，CDs在水溶液中的的吸收主峰位于近红外区域（720nm），CDs的激发独立的发射中心位于745nm。据我们所知，这是目前第一个水溶液中主吸收和主发射均在近红外区域的碳点。经过PEI修饰后，PEI-CDs的吸收峰轻微红移至726nm，激发独立的发射也相应的轻微红移至751nm。同时其PLQY也由CDs的3.3%提高至5.3%（水溶液）。这说明PEI的包覆有助于减少水对荧光的淬灭。受此启发，通过进一步减少水的淬灭作用，PEI-CDs在其牛血清白蛋白（BSA）水溶液和DMF溶液的PLQY分别提高到8.3%和18.8%。这是目前碳点在近红外光激发下近红外波段PLQY的最高值。通过近红外荧光成像，我们将上述变化过程可视化（图2e）。

图2：光学性能测试。

我们进一步通过瞬态光谱探究了PEI-CDs在不同溶液环境下的激发态动力学过程。TA图谱中630-760 nm处的负信号（蓝色）对应于基态漂白（GSB），这与其稳态吸收光谱基本一致。510-550 nm处的正信号（红色）归因于激发态吸收（ESA），其衰减寿命与对应的GSB信号相似。比较其GSB 信号在 735 nm处的TA动力学衰减，水溶液中的 PEI-CDs显示出在 136.9 ps内的快速衰减，而BSA水溶液和 DMF 中的 PEI-CDs显示出更长的寿命，分别高达838.4和3862.7 ps。这与图2d显示的荧光寿命的变化趋势一致。

图3：瞬态吸收光谱。

接下来，我们探究了PEI-CDs的双光子发射性能。在双光子激发-发射三维伪彩映射图中，可以看出其最佳激发波长为1300nm。在不同功率1300nm的飞秒激光激发下，PEI-CDs的水溶液，BSA水溶液和DMF溶液的发射强度和激发功率的双对数图存在非常好的线性关系，斜率分别为1.86，1.88和1.92，均显示出优异的双光子发射性能。这为我们的进一步应用打下了基础。

图4：双光子性能探究。

紧接着，我们采用DFT计算模拟来探究CDs近红外发射的可能机理。结合表征结果，我们构建了四个共轭程度逐渐递增的分子模型，分别是：原料PTCDA，PTCDA和Urea反应的可能产物DFA-PTCDI，DFA-PTCDI的二聚体和三聚体。计算结果显示四个分子结构的HOMOs和LUMOs的带隙随着共轭程度的增加而逐渐降低，DFA-PTCDI三聚体的带隙为1.69eV，和我们测试发射光谱的带隙(1.65 eV)吻合。

图5：理论计算。

在生物应用之初，我们探究了PEI-CDs的生物相容性。即使在高浓度（16 mg/mL）的PEI-CDs也显示出较低的细胞毒性。对PEI-CDs进行器官代谢试验，根据主要器官NIR FL信号的变化，肝脏和肾脏在静脉注射后24 h内可将PEI-CDs从小鼠体内排出。上述实验证明了PEI-CDs的低毒性和优异的生物相容性。

我们通过强饲法（灌胃）进一步研究了小鼠体内近红外成像（图 6c）。随着时间的推移，小鼠肠道的明亮区域逐渐从肠道前部向肠道中部和末端移动，近红外荧光信号的强度逐渐降低（图S10，支持信息）。灌胃28 h后，NIR FL信号消失，说明PEI-CDs逐渐通过消化系统排出体外。在体内成像中，灌胃 1 小时后小鼠肠道发出的明亮 NIR 荧光信号（图 6c），表现出高达 18 的高信噪比（S/N），证明了在具有深层组织穿透的体内近红外成像。

图6：生物相容性测试以及活体成像。

考虑到PEI-CDs在NIR-II激发窗口下显着的双光子NIR FL特性，基于PEI-CDs在1300 nm 飞秒激光激发下的双光子荧光发射进行小鼠耳部双光子NIR FL血管造影。小鼠耳部的胶原纤维的二次谐波产生(SHG)信号（图7中的绿色）可以帮助识别血管区域。来自PEI-CDs的双光子NIR发射在注射后出现在小鼠耳朵的血管中（图7中的红色）。PEI-CDs的信号在8秒时可检测到，并在注射后15秒达到最高强度（图7b-d）。上述结果表明，PEI-CDs可用作生物相容性和有效的NIR FL探针，用于体内单光子和双光子NIR FL成像。

图7：小鼠耳部血管双光子成像。