日前，中科院長春光機所研究員曲松楠課題組突破了碳納米點在近紅外波段發(fā)光效率低的難題，首次研制出具有高效近紅外吸收/發(fā)光特性的碳納米點，實現(xiàn)了基于碳納米點的活體近紅外熒光成像。

近年來，曲松楠帶領課題組頻繁在高影響因子的期刊上發(fā)表文章。2009年參加工作的曲松楠在工作幾年后就獨立帶課題組，也因此被破格提升為研究員。

關注碳納米點

曲松楠指出，發(fā)光碳納米點是新興的納米發(fā)光材料，具有尺寸小(小于20 納米)、無毒、發(fā)光性能好、生物相容性好、光穩(wěn)定性好、原料廣泛、易修飾等優(yōu)點，引起國內(nèi)外的廣泛關注。

早前，發(fā)光無機半導體納米粒子的研究非?；钴S，但無機半導體納米粒子一般含重金屬內(nèi)核(鉛、鎘)，有一定毒性，對環(huán)境也存在危害，所以科學家們開始以一些無毒的化合物制備新的發(fā)光納米粒子。

2006年，美國克萊蒙森大學的科學家們制造出一種碳納米粒子，在光照的情況下，可以發(fā)出明亮的光。科學家們還發(fā)現(xiàn)發(fā)光碳納米粒子具有獨特的優(yōu)點，如化學穩(wěn)定性、無光閃爍、耐光漂、無毒、造價比較便宜以及優(yōu)異的生物相容性。

2012年，時任長春光機所副研究員的曲松楠所在團隊發(fā)現(xiàn)，利用碳納米粒子激發(fā)波長依賴的特性，與有機染料配合，在生物制品上可構筑具有信息加密的圖形，這可以應用于信息存儲和信息加密中。

♦ 圖1. 通過表面吸電子基團修飾后構建近紅外吸收/發(fā)射碳納米點及其發(fā)光機制的示意圖。

♦ 圖2. (a)碳納米點@PVP復合物的吸收、發(fā)射光譜。(b-d)以碳納米點@PVP復合物為成像試劑的近紅外熒光成像(b)和小鼠胃部(c)及尾靜脈注射后血液循環(huán)過程中的活體近紅外熒光成像(d)。

♦ 圖3. 近紅外-Ⅱ區(qū)飛秒光激發(fā)碳納米點的多光子誘導發(fā)光。(a-b)1200 nm飛秒光激發(fā)碳納米點的發(fā)射光譜和發(fā)光強度-激發(fā)光功率曲線，(c-d)1400 nm飛秒光激發(fā)碳納米點的發(fā)射光譜和發(fā)光強度-激發(fā)光功率曲線。

“這些獨特的性質(zhì)使碳納米點走進我們的現(xiàn)實生活成為可能。”曲松楠告訴記者，隨后他們團隊研制出一種新型的熒光墨水。“這種墨水可以應用到生物成像、生物產(chǎn)品鑒定、信息存儲、信息加密、防偽、照明顯示、傳感、光伏器件等多種領域。”

突破技術瓶頸

據(jù)悉，碳納米粒子的發(fā)光機理研究及光譜調(diào)控是該領域的研究難點。2013年以前，國際上認為碳納米粒子在綠光波段的發(fā)射是源自碳納米粒子表面缺陷，而這種發(fā)光來源被認為很難實現(xiàn)激光。

為此，曲松楠所在團隊通過調(diào)控碳納米粒子中的氮元素，實現(xiàn)了碳納米粒子所發(fā)藍光和綠光的調(diào)控，觀測到碳納米粒子在綠光波段的放大自發(fā)輻射現(xiàn)象，并首次實現(xiàn)碳納米粒子在綠光波段的光泵浦激光。

曲松楠回憶道：“當年，我們通過比對試驗證明，碳納米粒子的光穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)有機激光染料，預示碳納米粒子可以作為一類成本低、綠色環(huán)保、光穩(wěn)定性好的新型激光材料，有望改變未來的照明世界。”

隨后，曲松楠及其科研團隊在國際上首次提出“超碳納米點”的概念，并研制出基于“超碳納米點”的水觸發(fā)“納米熒光炸彈”，使得碳納米點材料成為一種新型的智能發(fā)光材料。

現(xiàn)有的碳納米點吸收和發(fā)射譜帶主要位于紫外—可見區(qū)，還不能實現(xiàn)在近紅外區(qū)的高效吸收和高熒光量子效率近紅外發(fā)光，這嚴重限制了碳納米點在生物熒光成像特別是活體近紅外熒光成像中的應用。

最近幾年，針對實現(xiàn)高效近紅外發(fā)光的難題，曲松楠課題組通過對紅光碳納米點表面進行吸電子基團修飾及對碳基內(nèi)核層有序結構的無序化調(diào)控，在近紅外波段產(chǎn)生新的發(fā)光帶隙，獲得了在近紅外光激發(fā)下具有高效近紅外發(fā)射的碳納米點，熒光量子效率達到10%，為國際最高值。

發(fā)高水平文章

不難發(fā)現(xiàn)，曲松楠課題組在發(fā)光碳納米點能帶調(diào)控及應用領域開展了大量的研究。曲松楠作為第一作者或通訊作者累計發(fā)表SCI 論文29 篇，其中SCI影響因子10以上的論文6篇，第一作者論文單篇SCI他引最高390次，累計SCI引用1630次。其中，曲松楠發(fā)表的兩篇文章入選ESI(基本科學指標數(shù)據(jù)庫)熱點和高被引論文，進入最優(yōu)秀的千分之一論文之列。

談及如何發(fā)表高水平的論文，曲松楠謙虛地表示，這方面沒有太多的技巧，首先是研究方向一定要有價值、有應用前景，其次是研究內(nèi)容一定要是本領域的核心難題和目前的主要挑戰(zhàn)。“這兩點滿足了，發(fā)表的文章質(zhì)量自然不會差。”

當前，曲松楠制定的科研規(guī)劃是在10年內(nèi)讓碳納米點在癌癥診療領域達到臨床應用。

他說：“與現(xiàn)有納米發(fā)光材料相比，發(fā)光碳納米點特別適用于生物活體的熒光成像與癌癥診療藥物的研制。此外，碳納米點熒光壽命只有幾個納秒，遠低于現(xiàn)有商用熒光粉，在高帶寬可見光照明通訊領域具有重要的應用潛力。”

作為年輕的科研人員，曲松楠建議年輕人搞科研首先看科研條件和發(fā)展?jié)摿Α?ldquo;國家對科研人員的導向和各項機理措施越來越好，年輕人只要肯干，方向?qū)?，就會得到支持?rdquo;他也希望國家在人才政策上對東北有更多的傾斜，并對青年科研人員在成果轉化方面給予更多的政策支持。