碳點因其優異的光穩定性、較高的熒光量子效率、良好的生物相容性、較低的毒性等優點，在諸多領域有著很好的商業應用前景，尤其是在生物醫學領域。但多數碳點以藍綠光發射為主，穿透性弱，并不利于其生物應用。而深紅光/近紅外光碳點（發射波長>660 nm）所發光的能量較低、光散射弱、穿透性強，具有成像對比度好、空間分辨率高等優勢，受到了研究者們的廣泛關注。但是，目前深紅光/近紅外光碳點往往存在熒光量子效率低、半峰寬較寬、生物相容性差且需要藍綠光激發的缺陷，達不到成像的要求。因此，制備量子效率高、半峰寬窄、生物相容性好的深紅光/近紅外光碳點仍是目前亟需解決的難題。
近日，吉林大學楊柏教授課題組以紅豆杉樹葉為前驅體，通過溶劑熱合成方法，柱層析提純技術制備了半峰寬約為20nm（目前報道的最小值）、發射波長在673nm的深紅光碳化聚合物點 （Carbonized Polymer Dots, CPDs）。在二甲基亞砜（DMSO）溶液中，413 nm和660 nm激發光激發下，該深紅光CPDs的量子效率分別高達59%和31%，是目前已報道的紅光/近紅外光碳點的最高量子效率。研究表明，熒光基元單一，能級結構簡單以及N雜環和芳香環構成的共軛結構的完整性是深紅光CPDs主要的熒光機理。此外，該工作首次深入探討了CPDs的核殼結構及聚合物特性，分析了CPDs在體內的代謝途徑，并將其用于生物成像。
圖1. 深紅光CPDs的合成及光學性質。a) 合成示意圖，b) 吸收光譜，c) 熒光光譜，d) 不同激發光下的光學照片，e-f) 雙光子熒光性質。
所制備的深紅光CPDs具有優異的光學性質（圖1）。其稀溶液在紫外光至深紅光的范圍內均表現出較強的吸收，無激發依賴性，且在全光譜激發下均能發射明亮的深紅光，可有效避免生物體自發光的干擾。同時，CPDs也具有較強的雙光子熒光性質，該性質在生物成像中有著重要的應用價值。
圖2. 深紅光CPDs的形貌及聚合物性質。a) 透射電鏡圖片，b) 原子力顯微鏡圖片，c) 熱失重分析，d) 差示掃描量熱分析，e-f) 粘度分析。
優異的性質與結構密切相關。實驗結果表明，該深紅光CPDs的結構不同于已報道的碳量子點材料。其具有核殼結構，主要含有羥基，氨基，芳香環，N雜化環，醚鍵等化學鍵。CPDs最外層是碳化程度較低的聚合物鏈；而碳核主要是由聚合物鏈的交聯、碳化形成的，質量分數約為18%。CPDs的平均尺寸2.7 nm，在高分辨電鏡下可觀察到明顯的晶格結構，平均晶格間距為0.19 nm，平均高度5.1 nm。由于CPDs的玻璃化轉變溫度為-7 ℃，所以其殼層部分在室溫下的形態類似于聚合物的橡膠態，有一定的粘性（圖2）。
圖3. 深紅光CPDs的單光子和雙光子生物成像。a1-a3) 不同激發光下的單光子細胞成像，b) 雙光子細胞成像，c-h) 活體成像及各器官成像分析。
最后，課題組詳細探究了CPDs的生物毒性及體內外成像情況。發現深紅光CPDs具有良好的生物相容性、較強的穿透性，較高的信噪比。且其在體內主要通過腎臟及肝膽代謝系統進行代謝，最終以尿液及糞便的形式排出體外（圖3）。該工作不僅首次深入探討了碳點材料的聚合物特性，而且為生物醫學及光電器件領域提供了一種新的深紅光納米材料。
以上研究成果以“Deep Red Emissive Carbonized Polymer Dots with Unprecedented Narrow Full Width at Half Maximum”為題，近期發表在 Advanced Materials (Adv. Mater. 2020, 1906641)上。吉林大學博士生劉君君為論文的第一作者，楊柏教授為通訊作者。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201906641
- 北京林業大學彭鋒教授團隊 AFM：通過精準核-殼結構調控構建紅色及時間依賴變色磷光纖維素碳化聚合物點 2025-10-23
- 北京林業大學彭鋒教授團隊 Nat. Commun.: 分級發光中心耦合實現自保護木聚糖碳化聚合物點的時間依賴性變色磷光 2025-08-14
- 西南林大杜官本教授、楊龍研究員團隊 Nat. Commun.：碳化聚合物點誘導結晶域集成取向調控構建強健和堅韌水凝膠 2025-07-07
- 香港中文大學（深圳）唐本忠院士與趙征教授團隊《ACS Nano》綜述：聚集誘導發光材料實現高分辨生物成像 2025-01-07
- 上海交大劉盡堯團隊 Adv. Sci.：細菌活體探針的制備及成像與診斷應用 2023-12-05
- 上海交大劉盡堯團隊《Chem. Soc. Rev.》：細菌的表面修飾、功能化及應用 2023-09-22
