碳納米粒子有望改變未來(lái)的照明世界？

　　日前，中科院長(cháng)春光機所研究員曲松楠課題組突破了碳納米點(diǎn)在近紅外波段發(fā)光效率低的難題，首次研制出具有高效近紅外吸收/發(fā)光特性的碳納米點(diǎn)，實(shí)現了基于碳納米點(diǎn)的活體近紅外熒光成像。

　　近年來(lái)，曲松楠帶領(lǐng)課題組頻繁在高影響因子的期刊上發(fā)表文章。2009年參加工作的曲松楠在工作幾年后就獨立帶課題組，也因此被破格提升為研究員。

　　關(guān)注碳納米點(diǎn)

　　曲松楠指出，發(fā)光碳納米點(diǎn)是新興的納米發(fā)光材料，具有尺寸小(小于20 納米)、無(wú)毒、發(fā)光性能好、生物相容性好、光穩定性好、原料廣泛、易修飾等優(yōu)點(diǎn)，引起國內外的廣泛關(guān)注。

　　早前，發(fā)光無(wú)機半導體納米粒子的研究非?；钴S，但無(wú)機半導體納米粒子一般含重金屬內核(鉛、鎘)，有一定毒性，對環(huán)境也存在危害，所以科學(xué)家們開(kāi)始以一些無(wú)毒的化合物制備新的發(fā)光納米粒子。

　　2006年，美國克萊蒙森大學(xué)的科學(xué)家們制造出一種碳納米粒子，在光照的情況下，可以發(fā)出明亮的光?？茖W(xué)家們還發(fā)現發(fā)光碳納米粒子具有獨特的優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)穩定性、無(wú)光閃爍、耐光漂、無(wú)毒、造價(jià)比較便宜以及優(yōu)異的生物相容性。

　　2012年，時(shí)任長(cháng)春光機所副研究員的曲松楠所在團隊發(fā)現，利用碳納米粒子激發(fā)波長(cháng)依賴(lài)的特性，與有機染料配合，在生物制品上可構筑具有信息加密的圖形，這可以應用于信息存儲和信息加密中。

　　圖1. 通過(guò)表面吸電子基團修飾后構建近紅外吸收/發(fā)射碳納米點(diǎn)及其發(fā)光機制的示意圖。

　　圖2. (a)碳納米點(diǎn)@PVP復合物的吸收、發(fā)射光譜。(b-d)以碳納米點(diǎn)@PVP復合物為成像試劑的近紅外熒光成像(b)和小鼠胃部(c)及尾靜脈注射后血液循環(huán)過(guò)程中的活體近紅外熒光成像(d)。

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

　　“這些獨特的性質(zhì)使碳納米點(diǎn)走進(jìn)我們的現實(shí)生活成為可能。”曲松楠告訴記者，隨后他們團隊研制出一種新型的熒光墨水。“這種墨水可以應用到生物成像、生物產(chǎn)品鑒定、信息存儲、信息加密、防偽、照明顯示、傳感、光伏器件等多種領(lǐng)域。”

　　突破技術(shù)瓶頸

　　據悉，碳納米粒子的發(fā)光機理研究及光譜調控是該領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。2013年以前，國際上認為碳納米粒子在綠光波段的發(fā)射是源自碳納米粒子表面缺陷，而這種發(fā)光來(lái)源被認為很難實(shí)現激光。

　　為此，曲松楠所在團隊通過(guò)調控碳納米粒子中的氮元素，實(shí)現了碳納米粒子所發(fā)藍光和綠光的調控，觀(guān)測到碳納米粒子在綠光波段的放大自發(fā)輻射現象，并首次實(shí)現碳納米粒子在綠光波段的光泵浦激光。

　　曲松楠回憶道：“當年，我們通過(guò)比對試驗證明，碳納米粒子的光穩定性?xún)?yōu)于傳統有機激光染料，預示碳納米粒子可以作為一類(lèi)成本低、綠色環(huán)保、光穩定性好的新型激光材料，有望改變未來(lái)的照明世界。”

　　隨后，曲松楠及其科研團隊在國際上首次提出“超碳納米點(diǎn)”的概念，并研制出基于“超碳納米點(diǎn)”的水觸發(fā)“納米熒光炸彈”，使得碳納米點(diǎn)材料成為一種新型的智能發(fā)光材料。

　　現有的碳納米點(diǎn)吸收和發(fā)射譜帶主要位于紫外—可見(jiàn)區，還不能實(shí)現在近紅外區的高效吸收和高熒光量子效率近紅外發(fā)光，這嚴重限制了碳納米點(diǎn)在生物熒光成像特別是活體近紅外熒光成像中的應用。

　　最近幾年，針對實(shí)現高效近紅外發(fā)光的難題，曲松楠課題組通過(guò)對紅光碳納米點(diǎn)表面進(jìn)行吸電子基團修飾及對碳基內核層有序結構的無(wú)序化調控，在近紅外波段產(chǎn)生新的發(fā)光帶隙，獲得了在近紅外光激發(fā)下具有高效近紅外發(fā)射的碳納米點(diǎn)，熒光量子效率達到10%，為國際最高值。

　　發(fā)高水平文章

　　不難發(fā)現，曲松楠課題組在發(fā)光碳納米點(diǎn)能帶調控及應用領(lǐng)域開(kāi)展了大量的研究。曲松楠作為第一作者或通訊作者累計發(fā)表SCI 論文29 篇，其中SCI影響因子10以上的論文6篇，第一作者論文單篇SCI他引最高390次，累計SCI引用1630次。其中，曲松楠發(fā)表的兩篇文章入選ESI(基本科學(xué)指標數據庫)熱點(diǎn)和高被引論文，進(jìn)入最優(yōu)秀的千分之一論文之列。

　　談及如何發(fā)表高水平的論文，曲松楠謙虛地表示，這方面沒(méi)有太多的技巧，首先是研究方向一定要有價(jià)值、有應用前景，其次是研究?jì)热菀欢ㄒ潜绢I(lǐng)域的核心難題和目前的主要挑戰。“這兩點(diǎn)滿(mǎn)足了，發(fā)表的文章質(zhì)量自然不會(huì )差。”

　　當前，曲松楠制定的科研規劃是在10年內讓碳納米點(diǎn)在癌癥診療領(lǐng)域達到臨床應用。

　　他說(shuō)：“與現有納米發(fā)光材料相比，發(fā)光碳納米點(diǎn)特別適用于生物活體的熒光成像與癌癥診療藥物的研制。此外，碳納米點(diǎn)熒光壽命只有幾個(gè)納秒，遠低于現有商用熒光粉，在高帶寬可見(jiàn)光照明通訊領(lǐng)域具有重要的應用潛力。”

　　作為年輕的科研人員，曲松楠建議年輕人搞科研首先看科研條件和發(fā)展潛力。“國家對科研人員的導向和各項機理措施越來(lái)越好，年輕人只要肯干，方向對，就會(huì )得到支持。”他也希望國家在人才政策上對東北有更多的傾斜，并對青年科研人員在成果轉化方面給予更多的政策支持。