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新型激光材料—-碳納米粒子有望改變未來照明世界

導讀: 曲松楠所在團隊通過調控碳納米粒子中的氮元素,實現了碳納米粒子所發藍光和綠光的調控,觀測到碳納米粒子在綠光波段的放大自發輻射現象,并首次實現碳納米粒子在綠光波段的光泵浦激光。

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

關注碳納米點

? ? ? ? 曲松楠指出,發光碳納米點是新興的納米發光材料,具有尺寸?。ㄐ∮?0 納米)、無毒、發光性能好、生物相容性好、光穩定性好、原料廣泛、易修飾等優點,引起國內外的廣泛關注。

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

? ? ? ? 2006年,美國克萊蒙森大學的科學家們制造出一種碳納米粒子,在光照的情況下,可以發出明亮的光??蒲Ъ頤腔狗⑾址⒐馓寄擅琢W泳哂卸撈氐撓諾?,如化學穩定性、無光閃爍、耐光漂、無毒、造價比較便宜以及優異的生物相容性。

? ? ? ? 2012年,時任長春光機所副研究員的曲松楠所在團隊發現,利用碳納米粒子激發波長依賴的特性,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。

碳納米粒子有望改變未來的照明世界?

圖1. 通過表面吸電子基團修飾后構建近紅外吸收/發射碳納米點及其發光機制的示意圖。

碳納米粒子有望改變未來的照明世界?

圖2. (a)碳納米點@PVP復合物的吸收、發射光譜。(b-d)以碳納米點@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過程中的活體近紅外熒光成像(d)。

碳納米粒子有望改變未來的照明世界?

圖3. 近紅外-Ⅱ區飛秒光激發碳納米點的多光子誘導發光。(a-b)1200 nm飛秒光激發碳納米點的發射光譜和

發光強度-激發光功率曲線,(c-d)1400 nm飛秒光激發碳納米點的發射光譜和發光強度-激發光功率曲線。

? ? ? ? “這些獨特的性質使碳納米點走進我們的現實生活成為可能?!鼻砷嫠嘸欽?,隨后他們團隊研制出一種新型的熒光墨水?!罷庵幟梢雜τ玫繳锍上?、生物產品鑒定、信息存儲、信息加密、防偽、照明顯示、傳感、光伏器件等多種領域?!?/p>

突破技術瓶頸

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

? ? ? ? 為此,曲松楠所在團隊通過調控碳納米粒子中的氮元素,實現了碳納米粒子所發藍光和綠光的調控,觀測到碳納米粒子在綠光波段的放大自發輻射現象,并首次實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,我們通過比對試驗證明,碳納米粒子的光穩定性優于傳統有機激光染料,預示碳納米粒子可以作為一類成本低、綠色環保、光穩定性好的新型激光材料,有望改變未來的照明世界?!?/p>

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

? ? ? ? 現有的碳納米點吸收和發射譜帶主要位于紫外—可見區,還不能實現在近紅外區的高效吸收和高熒光量子效率近紅外發光,這嚴重限制了碳納米點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,針對實現高效近紅外發光的難題,曲松楠課題組通過對紅光碳納米點表面進行吸電子基團修飾及對碳基內核層有序結構的無序化調控,在近紅外波段產生新的發光帶隙,獲得了在近紅外光激發下具有高效近紅外發射的碳納米點,熒光量子效率達到10%,為國際最高值。

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