新型激光材料 碳纳米粒子有望改变未来照明世界

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日前，中科院长春光机所研究员曲松楠课题组突破了碳纳米点在近红外波段发光效率低的难题，首次研制出具有高效近红外吸收／发光特性的碳纳米点，实现了基于碳纳米点的活体近红外荧光成像。

近年来，曲松楠带领课题组频繁在高影响因子的期刊上发表文章。2009年参加工作的曲松楠在工作几年后就独立带课题组，也因此被破格提升为研究员。

关注碳纳米点

曲松楠指出，发光碳纳米点是新兴的纳米发光材料，具有尺寸小（小于20 纳米）、无毒、发光性能好、生物相容性好、光稳定性好、原料广泛、易修饰等优点，引起国内外的广泛关注。

早前，发光无机半导体纳米粒子的研究非常活跃，但无机半导体纳米粒子一般含重金属内核（铅、镉），有一定毒性，对环境也存在危害，所以科学家们开始以一些无毒的化合物制备新的发光纳米粒子。

2006年，美国克莱蒙森大学的科学家们制造出一种碳纳米粒子，在光照的情况下，可以发出明亮的光。科学家们还发现发光碳纳米粒子具有独特的优点，如化学稳定性、无光闪烁、耐光漂、无毒、造价比较便宜以及优异的生物相容性。

2012年，时任长春光机所副研究员的曲松楠所在团队发现，利用碳纳米粒子激发波长依赖的特性，与有机染料配合，在生物制品上可构筑具有信息加密的图形，这可以应用于信息存储和信息加密中。

图1． 通过表面吸电子基团修饰后构建近红外吸收／发射碳纳米点及其发光机制的示意图。

图2． （a）碳纳米点＠PVP复合物的吸收、发射光谱。（b－d）以碳纳米点＠PVP复合物为成像试剂的近红外荧光成像（b）和小鼠胃部（c）及尾静脉注射后血液循环过程中的活体近红外荧光成像（d）。

图3． 近红外－Ⅱ区飞秒光激发碳纳米点的多光子诱导发光。（a－b）1200 nm飞秒光激发碳纳米点的发射光谱和发光强度－激发光功率曲线，（c－d）1400 nm飞秒光激发碳纳米点的发射光谱和发光强度－激发光功率曲线。

“这些独特的性质使碳纳米点走进我们的现实生活成为可能。”曲松楠告诉记者，随后他们团队研制出一种新型的荧光墨水。“这种墨水可以应用到生物成像、生物产品鉴定、信息存储、信息加密、防伪、照明显示、传感、光伏器件等多种领域。”

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突破技术瓶颈

据悉，碳纳米粒子的发光机理研究及光谱调控是该领域的研究难点。2013年以前，国际上认为碳纳米粒子在绿光波段的发射是源自碳纳米粒子表面缺陷，而这种发光来源被认为很难实现激光。

为此，曲松楠所在团队通过调控碳纳米粒子中的氮元素，实现了碳纳米粒子所发蓝光和绿光的调控，观测到碳纳米粒子在绿光波段的放大自发辐射现象，并首次实现碳纳米粒子在绿光波段的光泵浦激光。

曲松楠回忆道：“当年，我们通过比对试验证明，碳纳米粒子的光稳定性优于传统有机激光染料，预示碳纳米粒子可以作为一类成本低、绿色环保、光稳定性好的新型激光材料，有望改变未来的照明世界。”

随后，曲松楠及其科研团队在国际上首次提出“超碳纳米点”的概念，并研制出基于“超碳纳米点”的水触发“纳米荧光炸弹”，使得碳纳米点材料成为一种新型的智能发光材料。

现有的碳纳米点吸收和发射谱带主要位于紫外—可见区，还不能实现在近红外区的高效吸收和高荧光量子效率近红外发光，这严重限制了碳纳米点在生物荧光成像特别是活体近红外荧光成像中的应用。

最近几年，针对实现高效近红外发光的难题，曲松楠课题组通过对红光碳纳米点表面进行吸电子基团修饰及对碳基内核层有序结构的无序化调控，在近红外波段产生新的发光带隙，获得了在近红外光激发下具有高效近红外发射的碳纳米点，荧光量子效率达到10％，为国际最高值。

发高水平文章

不难发现，曲松楠课题组在发光碳纳米点能带调控及应用领域开展了大量的研究。曲松楠作为第一作者或通讯作者累计发表SCI 论文29 篇，其中SCI影响因子10以上的论文6篇，第一作者论文单篇SCI他引最高390次，累计SCI引用1630次。其中，曲松楠发表的两篇文章入选ESI（基本科学指标数据库）热点和高被引论文，进入最优秀的千分之一论文之列。

谈及如何发表高水平的论文，曲松楠谦虚地表示，这方面没有太多的技巧，首先是研究方向一定要有价值、有应用前景，其次是研究内容一定要是本领域的核心难题和目前的主要挑战。“这两点满足了，发表的文章质量自然不会差。”

当前，曲松楠制定的科研规划是在10年内让碳纳米点在癌症诊疗领域达到临床应用。

他说：“与现有纳米发光材料相比，发光碳纳米点特别适用于生物活体的荧光成像与癌症诊疗药物的研制。此外，碳纳米点荧光寿命只有几个纳秒，远低于现有商用荧光粉，在高带宽可见光照明通讯领域具有重要的应用潜力。”

作为年轻的科研人员，曲松楠建议年轻人搞科研首先看科研条件和发展潜力。“国家对科研人员的导向和各项机理措施越来越好，年轻人只要肯干，方向对，就会得到支持。”他也希望国家在人才政策上对东北有更多的倾斜，并对青年科研人员在成果转化方面给予更多的政策支持。