Advanced Materials 带电单石墨烯量子点的无闪烁发光

背景介绍

Nirmal及其同事在1996年首次报道了单半导体量子点（SQDs）在稳定光照下的光致发光（PL）闪烁现象（也称为荧光间歇性），即在ON状态（亮）和OFF状态（暗）之间的随机切换。经过深入的研究，通过对合成过程的精确控制，实现了荧光稳定、不闪烁的SQDs，为研究活细胞中的动态单分子成像提供了新的平台。然而，大多数SQDs中存在的重金属对健康和环境都产生了严重的问题，这将限制其生物应用。另一个限制因素是SQDs的流体动力学直径（HD）需要小于5.5nm，才能从体内完全消除，因为哺乳动物脉管系统的平均孔径为~5 nm。因此，SQDs的大尺寸是体内应用的限制因素，即使它们具有抑制的闪烁特性。

研究出发点

量子限制是定义量子点的关键词。石墨烯量子点（GQDs）由碳元素组成并具有显著的sp²特征，尺寸小于10 nm，是一类荧光SQDs。碳是一种无毒元素，也是生命本身的基石之一，使GQDs具有生物相容性。因此，非闪烁GQDs作为实时生物成像的生物医学标记物是一种有前途的材料。

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基于此，清华大学曹化强教授和加州大学圣芭芭拉分校Anthony K Cheetham院士及其团队由自上而下的方法合成了非闪烁荧光的单负电荷GQDs。此外，通过进一步的探索、分析和理论计算，解释了GQDs的非闪烁荧光机制。由于GQDs的HD小于5.5 nm，这使得它们能在生物成像中作为荧光标记试剂。

该研究成果以“ Non-blinking luminescence from charged single graphene quantum dots ”为题发表在Advanced Materials上。

图文解析

通过使用超薄石墨烯膜作为TEM载体，获得了原子分辨率的GQDs的低电压（80 kV）像差校正高分辨率透射电子显微镜（AC-TEM）图像（图1）。更强的对比度来自GQDs的边缘，并揭示了它们的2D性质，平均直径为2.9±0.6 nm，甚至低至0.7和1.7 nm（图1A）。通过动态光散射（DLS）测量GQDs的平均HD为3.3±0.5 nm。单层GQDs（SL-GQDs）的边缘结构主要具有锯齿形构型，实验AC-TEM图像（图1B）证明了这一点。值得强调的是，哺乳动物血管具有<5 nm的平均孔径，低于该孔径，容易在静脉内注射到细胞外空间中的药剂之间达到平衡。因此，GQDs的HD值（3.3±0.5 nm）满足生物标记试剂的关键要求之一。

图1 GQDs的结构表征。A）存在于用作TEM栅格的悬浮单层石墨烯膜表面上的单层GQD的AC-TEM图像。B）放大（A）中的单个GQD，以清楚地显示锯齿形边缘。C）（A）的彩色图像。D）顶部单层GQD和下层石墨烯支撑之间AA堆叠的多层图像模拟。

溶液中GQDs的光学性质呈现于图2中。溶液中GQDs的UV-Vis吸收光谱（ABS）（图2A）分别在235、266和323 nm处显示出三个可观察到的峰。通常，235 nm处的峰归因于碳核的芳香族C-C键的π-π*跃迁，所谓的核态，266 nm处的峰归因于sp²核边缘电荷转移的π-π*跃迁（所谓的边缘状态），并且在323 nm处的峰可以归属于在GQDs边缘处来自氧官能团表面态的n-π*跃迁（所谓的表面状态）。事实上，后两种状态归因于分子状态。sp²碳核尺寸的变化将导致不同的带隙，因为当GQDs尺寸小于10 nm时，核态是量子受限的。在323 nm处的峰形成由附接至GQDs边缘的氧官能团引起的平台或肩部。通常，核心状态对GQDs的PL发射贡献较小，而表面基团产生发射状态。因此，量子点可以看作是“核-壳”结构量子点的一种特殊形式。对GQDs进行PLE测量以理解电子过渡态（图2B，左，黑线）。PLE频带与ABS峰值相比仅略微偏移（图2A）。在236 nm处的峰是最弱的，而在324 nm处的峰是最强的峰，表明表面态主导发射。这一结论支撑了这个观点，即溶剂热方法形成的表面态提供了GQDs的光致发光机制。在320 nm激发下，在450 nm处观察到最大强度的蓝色PL发射峰（图2B和2C）。GQDs的激发依赖性PL行为（图2C）表明存在多个发射中心，即多个失活途径，这些失活途径通常被分配给量子限制效应和不同发射态分布的组合。GQDs还显示pH依赖关系行为（图2D）。还进行了瞬态吸收（TA）光谱以收集关于GQDs的电子结构的进一步信息（图2E），以及相应的时间相关激发态电子衰减谱（图2E）。只观察到（i.e.，ΔA> 0）激发态吸收（ESA），其峰值分别在约500、550和600 nm的正信号，没有受激发射和基态漂白的负信号（图2E）。这表明存在许多能量接近第一激发态的可接近态。宽ESA信号与激发的含氧官能团直接相关。此外，延迟时间从0.5增加到100 ps时轻微红移表明GQDs具有分子样结构，将其归因于含氧官能团。GQDs的动态荧光行为可以通过时间分辨光致发光（TRPL）光谱来探测。这揭示了纯辐射复合过程，该过程可以拟合为双指数函数（图2F）。

图2 GQDs溶液的光学性质。A）GQDs的紫外-可见吸收光谱（ABS）。B）发射波长为450 nm的光致发光激发（PLE）光谱（黑线）和相应的光致荧光（PL）光谱（青色线）。C）以20 nm的间隔具有范围从300 nm到460 nm的不同激发波长的PL光谱。D）pH分别影响光致发光强度（黑线）和能量（蓝线）。E）在400 nm激发下，在0.5至100 ps范围内的不同探针延迟时间的瞬态吸收（TA）光谱。F）时间分辨PL（TRPL）在403 nm激发波长下的衰减曲线。

为了进一步了解GQDs的PL行为，进行了单粒子光谱测量（图3）。单个粒子GQD在405 nm激发时为~505 nm（图3A）。为了进一步证明荧光信号来自单个GQDs，而不是玻璃盖玻片信号，对底物荧光信号进行了表征，结果如图3A（黑线）所示，表明底物几乎没有荧光。因此，表明测试中的荧光确实来自单个GQDs。来自TA光谱的另一个重要结论是，光致发光中心处的载流子捕获时间（100.19 ps）加上俄歇非辐射过程时间（270 ps），总时间为370.19 ps，远小于10 ms的仓时间。在一些实施例中，时间间隔可以是32 ms（图3B）。因此，如果存在暗状态，则暗状态比上述时间短，这表明PL“暗”时段的上限为10 ms足以降低实际应用中闪烁问题的严重性。这意味着被捕获的电子可以在每个曝光时间间隔期间快速返回到光致发光中心，这是实现不闪烁行为的先决条件。

通过使用脉冲激光激发获得的二阶光子相关测量（图3D）指出单GQDs行为不是在被快速激光脉冲激发时的单光子发射。为了检查单个GQDs的光学性质，将稀释的GQD溶液置于玻璃盖玻片上（图3A，黑线）。通过使用共焦激光扫描显微镜成像（图3E）和AFM成像（图3E的右上角）获得的观察结果表明PL发射确实来自单个GQDs。静电力显微镜（EFM）测量（图3F）清楚地证明单个GQDs在激光照射下携带负电荷，将其归因于光电离。因此，上述不闪烁荧光必须来自带负电荷的单个GQD颗粒，而不是来自单个中性GQD颗粒或来自GQD簇。然而，GQD-COC是中性的。

图3 单个GQDs的光学特性。A）室温PL光谱（青色线），与玻璃盖玻片信号线相比）。B）在405 nm激发下10分钟内的PL强度时间迹线，分箱时间为10 ms。C）激发下的时间分辨PL（TRPL）。D）归一化二阶光子相关函数（τ）在500 nW脉冲激发功率下，用来自10 MHz皮秒二极管激光器的405 nm光束测量，聚焦在样品表面上具有×100个浸油物镜（7.96 W cm^-2）。E）在环境条件下标记的二氧化硅基底上的单个GQDs的共焦发光图像。右上角插图：在光学图像左下角区域拍摄的AFM图像显示，衍射限制的发光斑点是从单个GQDs发射出来的。F）在467 nm激发下，在光关闭（黑色正方形）和光开启（青色圆圈）的情况下，作为施加偏压（V_EFM）的函数的相移（ΔΦ）的图。

由于有限的电子态密度，GQDs的E_F（以及载流子密度）可以通过掺杂具有更高（n掺杂）或更低价电子数（p掺杂）的原子来调节到狄拉克点附近。计算显示共价键合到GQDs的碳核的含氧官能团可以使E_F向上移动。电子接受陷阱位点可以由附接至GQDs的边缘的供电子羟基（-OH）填充，导致表面陷阱态的饱和。结果表明，表面陷阱态对超热电子的俘获率很小或接近于零（γ_T≈0）。同时，随着-OH增加E_F，费米能级最终进入比吸收光子后产生的1 S_e“热”电子的能量更高的状态。这些电子将被注入复合中心（1 S_e），然后从单负电荷发射率状态（图4A）进行电子-空穴复合，导致发射寿命短（avg= 1.02 ns）。这是一个负三子发射的特点，但不是中性激子（X⁰）发射。因此，带负电荷的GQDs荧光不闪烁归因于三电子的辐射复合（灰态发射）。当C-O-C官能团而不是给电子羟基（-OH）官能团连接到GQDs的平面以形成GQD-COC时，它们在激光照射下是电中性的。基于DFT计算，GQD-（COC）_n的E_F在能量上降低，并且E_F低于固有GQDs的E_F，并且因此低于1 S_e。因此，陷阱状态被清空。“热”电子然后可以注入表面陷阱状态，其经由非辐射复合导致OFF状态。（图4 B）。在该过程之后，从暗状态（关断状态）到亮状态（开状态）的切换可以通过两条路径发生，即，通过在GQD-COC核心中重新捕获最初局域化的电子，或者通过从附近的陷阱捕获另一个电子。OFF和ON状态之间的这种随机切换在比仓时间更长的时间尺度上，导致闪烁现象。“带电三离子不闪烁机制”如图4所示。因此，辐射复合PL发射和俄歇非辐射复合的共存，但具有不同的速率，是GQDs在光充电条件下的不闪烁现象的原因。

使用GQDs作为荧光标记物证明了细胞成像和发光显微术，具有三个对比实例：人胃癌细胞、小鼠胚胎神经球和成年小鼠脑切片。长时间光照的影响进行了检查长时间。没有观察到明显的光漂白，除了强烈的辐射集中。损伤是高度局部化的，并且在任何情况下都表现出412秒的相当大的半衰期，这与荧光蛋白相当。GQDs在光学上极其稳定，显示荧光性质随时间推移没有劣化。它们在性质上也是无毒的。

图4 单个GQDs的无闪烁模型。分子态多激子不闪烁光致发光机制示意图。A）负三离子GQDs表现出不闪烁。B）中性激子GQDs（其在这里是GQD-COC）表现出闪烁。E_F是费米能级。1S_e和1 P_e是包络角动量为0和1的单电子态，1 S_h是对应于1 S_e的单空穴态的价带能级。

总结与展望

总之，这项工作描述了一个深入的研究的光学性质的GQDs和解释的非闪烁机制通过一个带电三子模式。已经探索了这些不闪烁的GQDs的多色特性，以及它们的生物成像应用。带电不闪烁GQDs最终证实了即使纳米晶体带电也能保持光子发射。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202304074