背景介绍
余辉，也被称为持久发光，是一种长寿命的发射。良好的发光性能赋予了余辉材料在数据存储、光电子器件、化学传感器和生物成像方面的应用潜力。特别是在生物成像技术中，由于没有激发光和组织自发荧光的干扰，长波长发射的余辉生物成像具有良好的信噪比和较大的组织穿透深度。然而，如何获得发射波长长、寿命长、水溶性好的生物相容余辉材料长久以来是影响其在生物成像领域内应用的重要难题。
碳点作为一种新兴的碳基发光材料，具有波长可调、物理化学惰性高、生物毒性低、制备简单等优点，在生物成像、信息加密、发光器件等领域引起了广泛的研究兴趣。近年来，碳点的余辉发光也备受关注，然而大部分的碳点的余辉发射都位于蓝色或绿色区域，而关于近红外余辉碳点的报道仍相对较少，且它们的余辉寿命都小于1秒，具有严重的水氧猝灭问题，这严重限制了其在生物成像领域的应用。在这种情况下，开发水溶液中具有超长寿命的近红外余辉碳点仍然是一个巨大的挑战。
针对上述问题，郑州大学单崇新教授团队开发了一种光氧化诱导策略来构建近红外余辉发光碳点，有效的避免了氧猝灭问题，在水溶液中的余辉发光寿命可达5.9小时，并基于此开发了余辉导航技术成功应用于小鼠肿瘤组织精确切除，展示了其潜在的临床应用价值。该工作对于开发用于生物成像领域的余辉发光材料提供了新的研究思路。
光氧化反应引起的长余辉示意图
相关成果以 “Photooxidation triggered ultralong afterglow in carbon nanodots”为题发表在国际知名期刊《Nature Communications》上，通讯作者为娄庆教授和单崇新教授。
图文导览
本文制备了三种尺寸的碳点，尺寸分布从5.8 nm减小到1.9 nm，结构表征结果表明，它们具有相似的sp2碳核结构，表面具有丰富的N/O官能团（图1）。然后，对其光物理性质进行了进一步的研究，所有的荧光峰都出现在670和720 nm左右，经光照后，碳点可以观察到明显的余辉，其波长延伸到近红外区域，其余辉光谱与它们的荧光光谱一致。这些碳点在乙醇溶液中的余辉发射时间均超过4 h，对应的寿命分别为46.4 min、42.5 min和29.7 min，表现出明显的尺寸依赖的余辉寿命特性。
图1 碳点的合成及其结构和发光性能
进一步的，探讨了其长余辉发光机理（图2）。首先，详细研究了光照射前后碳点的结构和光学性质。光照射后，碳点的溶解度发生了从脂溶到水溶的转变，以及光照后碳点表面的羧基增加，表明光照引起了碳点表面发生氧化，且其形貌未发生明显的变化，表明氧化主要发生在碳点的表面。此外，光照前后碳点的超快瞬态吸收也表明在光照后光生载流子可通过表面振动弛豫发生非辐射跃迁，表明光照后碳点易与表面基团发生电子交换，进而使其表面发生氧化。在光激发后，在其表面发生一系列氧化反应，引起类似于C=C键的断裂和重组，在此过程中可能会释放出能量，使其成为“光储能池”，从而导致长时间的余辉发射。
图2 光辐照前后碳点的结构和光学性质的研究
为了进一步深入了解碳点在光照后发生氧化的原因，研究了其自由基变化，发现其氧化余辉行为与单线态氧有着密切的关系。此外，与在空气中表现出明显余辉发射的固态碳点相比，用环氧树脂包裹的碳点在光照射后几乎没有余辉，证实了其余辉发射是与氧有关的，而非三线态激子相关的磷光发射，从而有效降低三线态电荷转移引起生理环境发光猝灭问题。密度泛函理论(DFT)的计算也获得了对光氧化超长余辉与尺寸相关的余辉寿命的潜在机制的深入了解（图3）。计算结果证实，1O2的引入促进了π2-π2的环加成反应，从而氧分子攻击C=C键，从而导致二氧杂环己烷(IM1)的产生，该中间体是不稳定的，很容易发生O-O键断裂形成IM2产物。此外，在1O2的辅助下，可以生成最终产物(IM3)，其中苯环进一步被氧化为羧基。在此过程中，二氧杂环己烷中间体的断裂成为碳点发生持久余辉的动力源泉。与常规的传统有机/无机余辉材料中常见的单重态/三重态、电荷分离态或可激活的陷阱态不同，光氧化产生的中间产物可以处理更长的寿命来诱导超长余辉发射。有趣的是，与小尺寸的C3单元相比，大尺寸的C5和GNR单元，特别是GNR单元，由于空间位阻效应，在C=C的氧化过程中具有更高的活化能。因此，随着样品大小的增加，氧化的能垒更高，氧化反应更难进行，这意味着较慢的中间产物速率进一步导致更长的余辉寿命。
图3 碳点超长余辉发光的机制
独特的光氧化诱导发光机制使其有效地避免了溶解氧诱导的猝灭，从而在水溶液中实现了超长时间的近红外余辉。为了进一步提高材料的水溶性，便于生物应用，本文采用两亲性嵌段聚合物Pluronic F127对碳点表面进行了包覆改性得到p-CDs（图4）。包覆后的碳点在水溶液表现出长达5.9 h的余辉寿命，这是到目前为止报道的大多数有机、无机或基于碳点的余辉发射系统中的最高值。此外，p-CDs在酸性以及金属离子环境中均表现出良好的余辉发射稳定性能，且其在组织深度20 mm处仍可观察到余辉信号，这有利于其在生物成像领域的应用。
图4 p-CDs的余辉性能
为了便于生物医学应用，p-CDs的生物安全性和肿瘤靶向性进行了系统的评价，以确保其生物安全性。如图5所示，碳点在细胞以及活体水平上均表现出良好的生物安全性，且有着明显的肿瘤靶向性，且可以有效的排出体外，这表明该碳点可以作为活体成像的理想材料。
图5 p-CDs的生物安全性和肿瘤靶向性分析
超长余辉发射、良好的生物安全性和肿瘤靶向性赋予了p-CDs在高对比度生物成像和指导肿瘤切除手术方面的巨大潜力。作为原理的证明，我们进行了体内余辉成像的实验和用p-CDs指导手术切除肿瘤的实验（图6）。上述结果表明，近红外长余辉发光材料在转移瘤定位、手术精确切除等领域具有广阔的应用前景。
图6 活体余辉成像在肿瘤手术切除中的应用
结论与展望
本工作中通过光氧化策略获得了具有超长寿命的水溶性近红外余辉碳点。辐照后的碳点有明显的余辉发射，发射中心位于670 nm和720 nm。密度泛函理论计算也证实了碳点的超长余辉寿命可以归因于碳点的光氧化以及空间位阻效应引起的激活能垒的改变。通过两亲性前段聚合物Pluronic F127包覆进一步减缓光诱导氧化过程，可以获得5.9 h的超长余辉寿命，这是目前报道的有机/无机余辉材料中最高的值之一。这种光氧化余辉发光策略可以有效的避免溶解氧猝灭，在生理环境中实现超长时间的余辉发射，突破了余辉成像中的超短寿命与氧猝灭相关的障碍。此外，该余辉碳点具有良好的生物安全性和较深的组织穿透深度(20 mm)，优异的肿瘤靶向能力以及高的成像信噪比，已成功用于长时间肿瘤标记成像和余辉导航手术切除，证明了其在临床应用的潜力。
文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46668-z
