近红外吸收/发光碳点的研究进展

doi:10.7503/cjcu20240070

摘要/Abstract

摘要：

碳点是一类新兴的零维碳纳米光学材料, 在众多领域备受关注. 近红外光相比于可见光具有更深的组织穿透能力和更低的散射, 在生物成像等领域优势明显. 随着科研人员的探索, 碳点发光带隙的调控从最初的蓝紫光向长波长不断红移. 近年来, 近红外波段吸收/发光的碳点也相继被报道. 本文以本课题组在近红外碳点领域的一系列工作为基础, 总结评述了近红外碳点的制备策略及多方面应用的最新进展, 并对未来的发展方向进行了展望.

关键词: 碳点, 近红外吸收/发光, 生物成像, 光热治疗, 光动力治疗

Abstract:

Carbon dots（CDs） are an emerging class of zero-dimensional carbon nano-optical materials that are as promising candidates for various applications. Compared with visible light， near-infrared light has deeper tissue penetration and lower scattering， giving it obvious advantages in fields such as biological imaging. Through the exploration of scientific researchers， the optical band gap of CDs has been continuously regulated and red-shifted from the initial blue-violet light to longer wavelengths. In recent years， CDs with near-infrared absorption/emission have been gradually reported. Based on a series of works by our research group on the near-infrared carbon dots， this review summarizes and reviews the latest progress in preparation strategies and applications of near-infrared carbon dots， and prospectively outlines the future development directions.

Key words: Carbon dots, Near-infrared absorption/emission, Bioimaging, Photothermal therapy, Photodynamic therapy

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 12

Fig.1 Classification and synthesis methods of carbon dots（A） Classification of carbon dots［5］；（B） “top-down” and “bottom-up” preparation methods of carbon dots［4，7］.（A） Copyright 2019， the Authors；（B） Copyright 2021， John Wiley and Sons； Copyright 2020， American Chemical Society.

Fig.2 Calculated emission wavelength(nm) using TDDFT method in vacuum as a function of the diameter of GQDs(A)[38], synthesis of multicolor fluorescent CDs based on differences in solvent protonity(B)[14], synthesis of multicolor fluorescent CDs using solvent engineering strategies(C)[17], using large conjugated molecules as raw materials to synthesize near⁃infrared carbon dots(D) and their band gap theoretical calculations(E)[36]（A） Copyright 2014， the Royal Society of Chemistry；（B） Copyright 2017， John Wiley and Sons；（C） Copyright 2018， John Wiley and Sons；（D， E） Copyright 2022， the Authors.

Fig.3 Schematic diagram of the synthesis of N,S⁃co⁃doped carbon dots(A) and absorption and near⁃infrared emission spectra(B)[46], schematic diagram of the preparation and application of Fe⁃doped carbon dots(C)[50](A, B) Copyright 2020, John Wiley and Sons; (C) Copyright 2023, the Authors.

Fig.4 Schematic diagram of the one⁃pot synthesis and purification of multicolor carbon dots(A) and the relationship between their surface oxidation degree and band gap(B)[16], absorption and emission spectra of carbon dots after DMSO surface treatment(C) and schematic diagram of the structure and energy level arrangement of CDs before and after surface modification(D)[33]（A， B） Copyright 2016， American Chemical Society；（C， D） Copyright 2018， John Wiley and Sons.

Fig.5 Preparation of cyanine dye (CyOH)⁃derived carbon dots(A) and their absorption and emission spectra(B)[61], schematic diagram of the preparation of polythiophene⁃derived carbon dots(C)[28]（A， B） Copyright 2016， American Chemical Society；（C） Copyright 2017， Springer Nature.

Table 1 Optical properties of some CDs with NIR emission

Sample	Abs./nm	λ_em/nm	PLQY（%）	Solvent	Ref.
CDs	400—800	925	0.4	H₂O	［32］
Cy⁃CD	783	835	3.4	Ethyl alcohol	［61］
NIR⁃PCNDs	277， 450—631	655， 710	26.28	Ethyl alcohol	［29］
R⁃CDs	634	715	43.2	Ethyl alcohol	［17］
R⁃CDs	661	745	12.8	Ethyl alcohol	［17］
NIR⁃CPDs	722	908	0.44—4.41	DMSO	［30］
NIR⁃CDs	605	704	31	H₂O	［31］
CDs	715	760	10	DMSO	［33］
CDs	605	720	0.2	H₂O	［34］
NIR⁃CDs	724	770	11	DMF	［35］
CDs@PEI	741	765	18.8	DMF	［36］
CDs@BSA	726	751	8.3	H₂O	［36］
ox⁃CDs	720	770	9.7	DMSO	［37］
N⁃CDs⁃F	556， 624	658， 777	9.8	DMF	［46］
N⁃B⁃GQDs	650—950	1000	1.0	H₂O	［52］
Fe⁃CDs	830	1000	1.27	H₂O	［50］
Cy7⁃CDs	620	710	18.8	Methyl alcohol	［62］
NIR⁃CDs	625	1085	0.42	Acetone	［66］
CDs	655	715	0.2	H₂O	［73］
Ln⁃CQDs	348	998/1068	<0.5	H₂O	［57］

Fig.8 Application of the near⁃infrared carbon dots in imaging of mouse stomach(A), two⁃photon imaging of mouse ear blood vessels(B)[36], and photoacoustic imaging of mouse tumors(C)[34]（A， B） Copyright 2022， the Authors；（C） Copyright 2018， the Authors.

Fig.9 Schematic diagram of near⁃infrared carbon dots used for near⁃infrared second⁃zone photothermal treatment of tumors(A)[49], photothermal imaging of mouse tumors(B) and photothermal treatment process(C)[34]（A） Copyright 2021， John Wiley and Sons；（B， C） Copyright 2018， the Authors.

Fig.10 Schematic diagram of ultra⁃high⁃yield singlet oxygen production(A)[70], schematic diagram of the preparation of Mn⁃doped carbon dots and their photodynamic therapy for tumors(B)[51], electron spin resonance(ESR) spectrum of hydroxyl radicals generated by near⁃infrared carbon dot photocatalysis(C) and photocatalytic treatment process of mouse tumors(D)[37]（A） Copyright 2014， the Authors；（B） Copyright 2018， John Wiley and Sons；（C， D） Copyright 2023， John Wiley and Sons.

Fig.11 Application of near⁃infrared carbon dots in LEDs(A) and plant growth irradiation(B)[39], spectraof visible to near⁃infrared phosphorescent carbon dots and their encryption applications(C)[84]（A， B） Copyright 2022， the Authors. Published by John Wiley and Sons；（C） Copyright 2023， Elsevier.

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