Advanced Science:单体系水相全光谱发射碳点的合理设计

作为一类新兴的荧光纳米颗粒,碳点(CDs)由于其优异的光学性质,出色的生物相容性,低毒性和易修饰等特性,逐渐被人们所关注。在目前所研究的CDs中,具有全光谱发射性质的CDs因为其发光可调,应用范围广泛等性质引起了人们极大的研究兴趣,这类CDs大多是采用不同的前驱体,不同的制备方法或者通过柱色谱的方式获得,制备步骤较为繁琐,而且大部分CDs所处的环境不是水相,这可能会限制其生物学应用。如何采用相同前驱体,水相合成高量子产率的全光谱发射CDs显得至关重要。

针对这一问题,郑州大学化学学院,绿色催化中心卢思宇教授课题组利用柠檬酸和邻苯二胺对这一难题进行解答,在理论计算的的指导下,通过改变反应前溶剂的pH和水热反应温度,成功制备出水相全光谱发射CDs,相关论文在线发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202001453)上。

理论计算研究发现,CDs的荧光发射与其尺寸和sp3/sp2杂化比例密切相关,即随着CDs的尺寸增加,荧光发射红移,同时对于大小相似的CDs,增加内部sp2杂化的程度也会引起发射红移,所制备的CDs的荧光发射波长几乎覆盖整个可见光范围(413-635 nm),其中蓝光CDs(B-CDs),绿光CDs(G-CDs)和红光CDs (R-CDs)在其最佳激发波长下的绝对量子产率分别为38.97%,75.41%和24.99%。比较各种激发激光功率可以证明,在脉冲红外激光激发下会发生双光子荧光发射,激发功率和发光强度之间的二次关系为1.91的斜率。透射电镜表明随着发射波长的红移,CDs的平均粒径逐渐增大,核磁共振氢谱表明R-CDs的sp2杂化程度最高,B-CDs的sp2杂化程度最低。通过复合这三种CDs,制成白色LED的CIE坐标为(0.33,0.36)相关色温和显色指数(CRI)为5452 K和88。这表明我们的方法适用于制造具有高CRI的白色LED。研究者相信,此研究将会为全光谱碳点的研究打开一扇窗户,并为碳点的荧光机理研究提供新的思路。