Nat. Commun.：光激发下石墨烯量子点界面质子解离研究及应用

背景介绍

界面质子输运在跨生物膜输运、燃料电池、金属及氧化物表面催化等研究领域具有重要意义。当前质子输运的实验研究手段主要依赖于电信号与光信号。界面质子输运特性大幅影响了碳纳米结构界面的物理化学性质，是碳纳米结构相关的催化及诊疗应用的基础。在碳纳米结构光催化过程中，基于界面吸附及能量转移的相关研究并不能解释基于质子的光催化机制。先前的研究表明[Nanoscale6, 867–873 (2014)]，碳量子点的催化性能的提高是由于碳量子点水分散液在光激发下整体质子浓度提高了31.62倍，但质子浓度提高量不足以解释10倍的催化活性提升，可能在碳量子点界面微环境中存在质子解离增强。

为此，中国科学院上海微系统与信息技术研究所丁古巧研究员、董慧研究员、祁楷青年研究员等团队合作，开发了一套光场融合极低场磁共振（ULF NMR）系统用于研究石墨烯量子点（GQDs）界面在激发态下的质子解离增强机制。

相关成果以“Accelerated proton dissociation in an excited state induces superacidic microenvironments around graphene quantum dots”为题发表在Nature Communications 上。

图文导览

1、石墨烯量子点表征及测试原理

羟基化GQDs以氧化还原石墨烯为原料经“自上而下”法制备，具有典型的蜂窝状sp²碳纳米结构特征（图1a），在HAADF-STEM表征中可明显观察到晶格中的氧原子（图1b）。由于ULF NMR系统兼容性强，因此在现有ULF NMR系统基础上，通过额外引入光源并通过光纤导入至系统样品位置即可实现光场融合的ULF NMR系统（图1c）。由于光源置于铝制屏蔽室外，因此可通过更换或调整光源参数实现不同强度、不同波长激发条件下的样品弛豫时间（T₁）测定。为保证样品充分被光源激发，在光纤到达样品位置前，需通过光纤扩束器对入射光进行分散。如图1d所示，GQDs水分散液在基态时，界面含氧官能团不发生显著解离，溶液中仅存在自由水质子与Gd³⁺配位水质子间的质子交换，所得T₁较长。当GQDs处于激发态时（图1e），界面含氧官能团中质子解离增多，其与自由水质子交换加快，导致了整体质子交换加速，表现为T₁缩短。

图1.GQDs形貌表征、光场融合ULF NMR系统及弛豫测试原理。

2、光激发下石墨烯量子点界面质子解离机制研究

由于GQDs界面官能团的复杂程度较高，为分析GQDs界面在光激发条件下质子解离增多的现象，选用不同结构的GQDs开展研究。为此，首先研究了带隙接近但表面官能团类型不同的GQDs在光激发（365 nm）条件下的弛豫差异。如图2a所示，–OH、–COOH、–C–O–C–、–CHO、–NH₂、–N(C)₃、–NH–C–功能化GQDs的ΔT₁（基态下T₁减去激发态下T₁）依次为345.87 ± 15.23、205.60 ± 19.43、131.65 ± 35.96、78.17 ± 6.29、43.39 ± 14.12、–5.78 ± 8.23、4.23 ± 7.96 ms。在这些GQDs中，羟基化GQDs在光激发条件下具有最大的ΔT₁，表明羟基是GQDs界面产生光激发酸性的潜在原因。进一步地，设计制备了羟基含量不等（9.91%–86.21%）的羟基化GQDs并对其光激发条件下的ΔT₁开展了测定。如图2b所示，随着羟基化GQDs结构中羟基含量的增加，由拉曼光谱表征所得I_D/I_G逐渐增大，ΔT₁逐渐增大。上述结果表明羟基化GQDs中羟基的高占比和高缺陷程度导致了GQDs在光激发下界面微环境酸性较强，最终导致ΔT₁较大。

图2. 不同结构GQDs在不同条件下时基态与激发态间T₁差异。

为研究光激发下羟基化GQDs水分散液T₁变化的原因，将羟基化GQDs分散于水和重水组成的混合溶剂中开展T₁测试。当溶剂中重水比例提高时，溶剂中质子数量减少，导致可供交换的质子减少，进而使得T₁变长。为了区分溶剂中重水引起的T₁增大与光激发引起的T₁缩短，引入变量K（0 ≤ K <100%）来消除重水对测试结果的影响。K = 0代表光激发对T₁的变化无显著影响，K越大代表光激发下GQDs界面微环境中酸性增强及T₁变化更显著。如图2c所示，当溶剂中重水比例为0、20 wt.%、40 wt.%、60 wt.%时，K值依次为61.81%、45.63%、41.08%、36.12%，表明光激发的影响随着可交换质子数量的减少而减弱。因此，光激发可增强质子交换及GQDs微环境的酸性，从而缩短T₁。作为对比，图2d列出了一些超强酸的哈密顿酸度函数（Hammett acidity function，H₀），可见，羟基化GQDs在光激发下的H₀为–13.40，低于H₂SO4的H₀，与其他固体超强酸相当。尽管羟基化GQDs界面在光激发下具有超强酸性，但在无光激发时，其界面不表现酸性，可通过光激发实现开关状态切换。

除了GQDs自身结构外，外部条件也会影响GQDs在光激发条件下的界面酸性变化。如图2e所示，随着样品温度升高，溶剂水解离程度提高，导致羟基化GQDs在基态与激发态下水分散液的T₁值差异逐渐显著。如图2f所示，激发光强度与羟基化GQDs的ΔT₁呈正相关关系，表明随着光激发强度提高，羟基化GQDs界面酸性提高。而在相对弱的光激发强度（50.3 mW/cm²）下，羟基化GQDs仍具有较大的ΔT₁（257.89 ms）。此外，由于羟基是一个稳定的官能团，因此当羟基化GQDs处于含有IA族离子（Na⁺, K⁺）及简单离子（Cl^–, Br^–, I^–, SO₄^2–, NO₃^–）的溶液中时，仍可在光激发条件下产生较大的ΔT₁（图2g，图2h）。因此，GQDs可在较为温和（室温，298.15 K；低光激发强度，50.3 mW/cm²；含多种离子的生物缓存体系）的条件下产生界面微环境酸性，为后续开展GQDs功能化提供了便利。

3、石墨烯量子点激发态下的分子动力学模拟

为研究羟基化GQDs在激发态下的质子解离机制，利用从头算DFT程序包CP2K/Quickstep模拟了不同结构羟基化GQDs界面在基态与激发态下的质子行为。由于GQDs界面羟基位置、分布密度、所处化学环境等因素均影响GQDs的光学带隙及界面质子行为，因此构建了7种结构不同的GQDs（图3a）。7种GQDs的分子尺寸一致，界面羟基数量、位置不同。根据羟基位置不同，可将GQDs界面羟基分为边缘羟基和晶格羟基，根据羟基所处化学环境不同，可将GQDs界面羟基分为酚羟基和醇羟基。在开展激发态下GQDs分子动力学模拟之前，需确定其激发态能量，因此首先对上述7种结构的光学带隙进行了仿真，GQDs 1至GQDs 7的由基态至激发态所需的能量依次为1.83、1.55、1.51、1.04、1.13、1.04、0.98 eV，后续激发态下分子动力学模拟将对7种GQDs设置不同的激发态能量。

图3. GQDs在基态与激发态下质子解离的动力学模拟。

分子动力学仿真结果表明，除GQDs 1（界面无羟基）外，所有GQDs均在激发态下表现出解离质子的倾向，这种倾向不仅体现在羟基解离的数量上，还体现在达到解离平衡所需要的时间上。在激发态，GQDs 2至GQDs 7界面整体的羟基解离率依次为100%、85.71%、40.00%、16.67%、62.50%、60.00%，而在基态，仅GQDs 6与GQDs 7界面质子发生了解离，解离率分别为12.50%和10.00%。质子在GQDs界面发生解离需要足够的热涨落能量来克服活化能势垒，在激发态下，活化能势垒大大降低。因此，与基态相比，当GQDs被光诱导激发时，质子解离速率显著增强，GQDs的羟基基团在激发态下更易解离质子。与基态相比，激发态下的质子解离平衡时间更快。以GQDs 7为例，其在基态时达到解离平衡的时间为10 ps，而在激发态下达到解离平衡的时间为5 ps（图3b）。

在激发态下GQDs界面各类羟基在不同时刻的质子解离率存在显著差异（图3c）。GQDs 2至GQDs 3、GQDs 5至GQDs 7边缘羟基在5 ps内的质子解离率分别为100%、100%、50.00%、75.00%、83.33%，相比之下，GQDs 2至GQDs 3、GQDs 5至GQDs 7晶格羟基在5 ps内的质子解离率分别为100%、100%、0%、50.00%、25.00%。上述结果表明GQDs边缘羟基在激发态下更易解离质子，是GQDs在激发态下表现出微环境超强酸的关键。此外，GQDs 2至GQDs 7酚羟基在5 ps内的质子解离率依次为100%、100%、66.67%、33.33%、80.00%、85.71%，醇羟基在5 ps内的质子解离率依次为100%、100%、0%、0%、33.33%、0%。上述结果表明酚羟基更易解离质子并产生超强酸微环境，进而加速了GQDs周围的质子交换。此外，解离的质子不断与周围水质子产生交换，并于GQDs中的氧不断复合，从而表现为质子解离率的波动。在激发态下，解离质子与GQDs周围水之间的质子交换增加缩短了GQDs水分散液在光激发下的T₁。

为了直观评估GQDs界面羟基的质子解离速率，定义平均质子解离速率r（r=N/t），式中，N为达到解离平衡时的解离质子数，t为解离平衡时间，即发生最大质子解离数且在随后0.5 ps内不再发生质子解离的时间。对于特定类型的羟基，t表示该类羟基的解离平衡时间而非全部羟基达到解离平衡的时间。如图3d所示，在基态下，仅GQDs 6与GQDs 7的质子发生了解离，平均解离速率分别为0.17和0.21 ps^–1。在激发态下，GQDs 2至GQDs 7的平均质子解离速率依次为3.25、3.75、1、0.87、2.80、1.82 ps^–1，表明激发态下质子更易解离，且在基态下质子解离速率较低，保证了GQDs可在被光激发时表现出微环境超强酸而在未被激发时不表现超强酸性。进一步分析表明，晶格羟基的平均质子解离速率低于同一GQDs结构的边缘羟基（图3e），GQDs 2至GQDs 3、GQDs 5至GQDs 7晶格羟基的依次为边缘羟基的42.32%、62.95%、0%、81.59%、99.48%，表明GQDs的边缘羟基相较于晶格羟基更易解离质子。此外，GQDs 2至GQDs 7的醇羟基的依次为酚羟基的42.32%、62.95%、0%、0%、30.60%、99.48%，表明酚羟基相较于醇羟基更易解离质子（图3f）。以上分析表明，GQDs边缘羟基与酚羟基更易解离质子，为GQDs在激发态下与其他分子连接提供了位点。

4、光激发下石墨烯量子点快速功能化应用

如前所述，GQDs的官能集团（如–OH、–COOH等）可在光激发时被激活，借助这一特点，可在光激发下将小分子有机物通过酯化反应或酰胺化反应与GQDs偶联，在室温及不借助其他化学试剂的状态下实现GQDs功能化，无需后处理等过程。利用GQDs在光激发下的超强酸性，将其与小分子有机物偶联可获得一系列pH敏感的荧光探针（图4a，图4b），可用于区分肿瘤细胞与正常细胞（图4c，图4d）。

将具有生物活性的大分子与GQDs偶联常需要繁琐的步骤，且需在整个操作过程中保持生物分子的活性。由于GQDs在光激发情况下界面质子解离增多，表现出超强酸性，因此GQDs可在相对温和的环境中与抗体进行偶联获得检测探针并进一步开展磁弛豫传感技术应用。在光激发下，磁性GQDs界面基团被激活（图4e），进而与含氨基的S. aureus抗体（Ab）进行偶联。与EDC/NHS方法相比，使用外加物理场而非化学物质诱导磁性GQDs与抗体偶联具有操作性强、不需要复杂后处理、操作快速（由约5 h缩短至约0.5 h）等优势。如图4f所示，随着光激发时间增加，磁性GQDs（0.02 mmol/L）与Ab（1 mg/L）混合分散液的T₁逐渐缩短，最终在光激发第25 min时稳定在345 ms附近。T₁缩短表明磁性GQDs与Ab发生了偶联，磁性GQDs间距减小。

在检测真实样本前，首先对检测探针所达到的检出限进行了评估。如图4g所示，当目标物S. aureus浓度依次为0（对照组）、1、10、10²、10³、10⁴、10⁵、10⁶ CFU/mL时，体系T₁依次为341.33 ± 5.15、352.58 ± 4.97、360.85 ± 5.44、427.25 ± 5.66、474.04 ± 8.18、524.14 ± 11.03、575.21 ± 14.78、616.14 ± 9.39 ms。可见，当S. aureus浓度大于等于10 CFU/mL时，T₁与对照组相比具有显著性差异。因此，使用具有显著性差异的数据点进行线性拟合可得y = 51.24 x + 316.78（R² = 0.9918，图4h），因此该检测探针检测S. aureus的检出限为6 CFU/mL，优于已发表的磁弛豫传感技术在病原体检测中的检出限。最终，使用上述检测探针对来自医院的40例尿液样本中的S. aureus开展了检测，由图4i可知，样品1–10被确定为阴性样本，样本11–30被确定为阳性样本，且二者检测结果间具有显著性差异（图4j）。

图4. 光激发下GQDs的快速功能化。

5、光激发下石墨烯量子点催化应用

作为一种典型的亲电芳香取代反应，傅克烷基化反应可作为检验GQDs光致微环境酸性的一种典型反应。如图5a所示，在光激发下，GQDs微环境超酸性产生的碳正离子与通过亲电芳香取代与苯环发生反应。为评价光激发GQDs催化傅克烷基化反应的性能，选择溴乙烷与苯作为反应底物，由图5b所示，苯浓度随着催化反应时间的增加而降低，表明GQDs可在光激发下产生酸性。在光激发条件下，GQDs界面的羟基溶于微量水中，生成一个自由质子（H₃O⁺），C=O基团与H₃O⁺反应释放出另一个质子。C=O中的O在光激发下以可逆的超分子相互作用与HO^–连接，得到了带环氧基的中间体。溴乙烷与苯的反应为一级反应，反应速率常数为0.32 min^–1，反应产物为乙苯。为比较GQDs在光激发下的界面酸性，对比了多种可催化傅克烷基化的催化剂的反应速率常数。如图5c所示，BF₃、光激发GQDs、AlCl₃、FeCl₃、H₂SO₄、H₃PO₄在催化苯环乙基化时的反应速率常数依次为0.33、0.32、0.20、0.20、0.10、0.07 min^–1，表明光激发GQDs相较于多数催化剂在催化傅克烷基化时具有更高的催化活性，且催化活性BF₃相当。

图5. 光激发下GQDs催化傅克反应。

进一步地，与经典的傅克烷基化催化剂相比，GQDs具有较高的位阻，因此可抑制傅克烷基化过程中的副反应。图5d，图5e比较了AlCl₃和光激发GQDs作为催化剂时的苯环乙基化产物。当AlCl₃催化傅克乙基化反应时，产物乙苯在反应体系中的占比随反应时间的增加而增加，在反应开始后6 min和20 min分别产生两种副产物（二乙苯、三乙苯）。反应开始60 min时，苯、乙苯、二乙苯和三乙苯的含量分别为13.55%、44.69%、31.32%、10.44%。反应在60 min内效率不高，并产生了几种副产物。而以光激发GQDs为催化剂时，在反应34 min后，产物乙苯的产率可达98.91%。在同一时刻，副产物二乙苯的含量仅为1.10%。在此基础之上，进一步研究了光激发GQDs在催化傅克烷基化反应中的通用性。如图5f所示，光激发状态下的GQDs可催化多种溴化物与苯环之间的反应并实现苯环修饰，产物分别为正丙苯、异丙苯、叔丁基苯和二苯甲烷。烷基化反应均具有较高的反应速率常数和产物产率。

结论与展望

本工作基于系统兼容性优良的ULF NMR系统，向系统内引入光激发装置并以GQDs为研究对象开展了激发态下的界面质子输运行为研究。利用光场融合的ULF NMR系统对激发态下GQDs界面质子输运行为开展研究发现，羟基化GQDs在光激发下界面质子解离增多，在其周围微环境中构建了超强酸。激发态下分子动力学模拟表明GQDs边缘羟基及酚羟基在激发态下更易解离质子。GQDs在光激发下界面质子解离增多的现象可用于在激发态下利用GQDs催化傅克烷基化反应及实现GQDs的功能化。

在本工作中，光激发GQDs催化傅克乙基化反应的反应速率及产物产率均高于或相当于传统傅克烷基化催化剂。光激发下GQDs界面小分子功能化可构建pH响应型荧光传感探针用于区分肿瘤细胞与正常细胞，GQDs的抗体功能化可构建磁弛豫传感技术检测探针用于开展细菌体外诊断。本工作所设计的光场融合ULF NMR系统可原位、实时、无损监测纳米材料界面在激发态下的质子输运行为，可为研究催化剂界面等提供新的研究手段。

本工作在中国科学院上海微系统与信息技术研究所谢晓明研究员指导下、由多个研究团队共同参与开展。论文第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所李永强博士、杨思维副研究员、鲍万成，通讯作者为杨思维副研究员、祁楷青年研究员、董慧研究员、丁古巧研究员。该论文工作得到上海市科学技术委员会（21ZR1482800，23YF1455800）、上海市超级博士后激励计划资助（2022675）、集成电路材料全国重点实验室开放课题（NKLJC-K2023-01，NKLJC-Z2023-B03）、国家自然科学基金（62174093，12304257）、中国科学院青年创新促进会、中国科学院上海微系统与信息技术研究所新微之星人才等项目基金支持。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50982-x