聚焦碳納米點(diǎn) 碳納米粒子技術(shù)或改變未來照明市場

日前，中科院長春光機(jī)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(xiàn)了基于碳納米點(diǎn)的活體近紅外熒光成像。

近年來，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(dú)立帶課題組，也因此被破格提升為研究員。

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)、無毒、發(fā)光性能好、生物相容性好、光穩(wěn)定性好、原料廣泛、易修飾等優(yōu)點(diǎn)，引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

早前，發(fā)光無機(jī)半導(dǎo)體納米粒子的研究非?；钴S，但無機(jī)半導(dǎo)體納米粒子一般含重金屬內(nèi)核(鉛、鎘)，有一定毒性，對(duì)環(huán)境也存在危害，所以科學(xué)家們開始以一些無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(xiàn)發(fā)光碳納米粒子具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)穩(wěn)定性、無光閃爍、耐光漂、無毒、造價(jià)比較便宜以及優(yōu)異的生物相容性。

2012年，時(shí)任長春光機(jī)所副研究員的曲松楠所在團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，利用碳納米粒子激發(fā)波長依賴的特性，與有機(jī)染料配合，在生物制品上可構(gòu)筑具有信息加密的圖形，這可以應(yīng)用于信息存儲(chǔ)和信息加密中。

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

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

圖3. 近紅外-Ⅱ區(qū)飛秒光激發(fā)碳納米點(diǎn)的多光子誘導(dǎo)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(qiáng)度-激發(fā)光功率曲線，(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(qiáng)度-激發(fā)光功率曲線。

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

據(jù)悉，碳納米粒子的發(fā)光機(jī)理研究及光譜調(diào)控是該領(lǐng)域的研究難點(diǎn)。2013年以前，國際上認(rèn)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)光來源被認(rèn)為很難實(shí)現(xiàn)激光。

為此，曲松楠所在團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控碳納米粒子中的氮元素，實(shí)現(xiàn)了碳納米粒子所發(fā)藍(lán)光和綠光的調(diào)控，觀測到碳納米粒子在綠光波段的放大自發(fā)輻射現(xiàn)象，并首次實(shí)現(xiàn)碳納米粒子在綠光波段的光泵浦激光。

曲松楠回憶道：“當(dāng)年，我們通過比對(duì)試驗(yàn)證明，碳納米粒子的光穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)有機(jī)激光染料，預(yù)示碳納米粒子可以作為一類成本低、綠色環(huán)保、光穩(wěn)定性好的新型激光材料，有望改變未來的照明世界。”

隨后，曲松楠及其科研團(tuán)隊(duì)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(xiàn)有的碳納米點(diǎn)吸收和發(fā)射譜帶主要位于紫外—可見區(qū)，還不能實(shí)現(xiàn)在近紅外區(qū)的高效吸收和高熒光量子效率近紅外發(fā)光，這嚴(yán)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(yīng)用。

最近幾年，針對(duì)實(shí)現(xiàn)高效近紅外發(fā)光的難題，曲松楠課題組通過對(duì)紅光碳納米點(diǎn)表面進(jìn)行吸電子基團(tuán)修飾及對(duì)碳基內(nèi)核層有序結(jié)構(gòu)的無序化調(diào)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(dá)到10%，為國際最高值。

不難發(fā)現(xiàn)，曲松楠課題組在發(fā)光碳納米點(diǎn)能帶調(diào)控及應(yīng)用領(lǐng)域開展了大量的研究。曲松楠作為第一作者或通訊作者累計(jì)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(jì)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(biāo)數(shù)據(jù)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，這方面沒有太多的技巧，首先是研究方向一定要有價(jià)值、有應(yīng)用前景，其次是研究內(nèi)容一定要是本領(lǐng)域的核心難題和目前的主要挑戰(zhàn)。“這兩點(diǎn)滿足了，發(fā)表的文章質(zhì)量自然不會(huì)差。”

當(dāng)前，曲松楠制定的科研規(guī)劃是在10年內(nèi)讓碳納米點(diǎn)在癌癥診療領(lǐng)域達(dá)到臨床應(yīng)用。

他說：“與現(xiàn)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(yuǎn)低于現(xiàn)有商用熒光粉，在高帶寬可見光照明通訊領(lǐng)域具有重要的應(yīng)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?jié)摿Α?ldquo;國家對(duì)科研人員的導(dǎo)向和各項(xiàng)機(jī)理措施越來越好，年輕人只要肯干，方向?qū)?，就?huì)得到支持。”他也希望國家在人才政策上對(duì)東北有更多的傾斜，并對(duì)青年科研人員在成果轉(zhuǎn)化方面給予更多的政策支持。