层级发光中心耦合策略实现自保护型木聚糖碳化聚合物点的时变磷光颜色调控

研究人员针对时变磷光颜色(TDPC)材料调控机制不明确的问题，通过层级发光中心耦合策略，开发出具有自保护功能的木聚糖碳化聚合物点(X-CPDs)。该研究利用1,3-二氨基丙烷作为交联剂，构建了具有核壳结构的RTP材料，实现了从蓝色到黄绿色的高对比度TDPC，磷光寿命达401ms，量子产率6.46%，为动态信息加密和防伪提供了新型环保材料。

　　

在光学材料领域，实现颜色可调的室温磷光(RTP)材料一直是科学家们追求的目标。特别是具有时间依赖性磷光颜色(TDPC)的材料，其发光颜色能随时间动态变化，在动态信息加密、高级防伪和生物成像等领域展现出独特优势。然而，现有TDPC材料面临两大挑战：一是多组分体系需要刚性基质限制或额外组分掺杂，增加了制备复杂性；二是对碳化聚合物点(CPDs)中多发光中心的调控机制认识不足。更令人困扰的是，传统石油基聚合物制备的CPDs中，聚合物骨架仅作为交联支架而无法贡献磷光，这严重限制了材料设计和性能优化。

北京林业大学的研究人员另辟蹊径，以造纸工业副产物木聚糖为原料，通过巧妙的分子设计，在《Nature Communications》发表了突破性研究成果。该团队开发出具有自保护功能的木聚糖基碳化聚合物点(X-CPDs)，无需任何基质限制或多组分掺杂，首次实现了高对比度的TDPC性能。这一创新不仅解决了传统TDPC材料制备复杂的问题，更揭示了CPDs中磷光调控的新机制。

研究采用了三项关键技术方法：首先通过羧甲基化木聚糖(CMX)与烷基二胺的水热交联反应构建核壳结构；利用变温磷光光谱(77-358K)和时间分辨发射光谱(TRES)解析发光机制；基于分子量分级透析(1-50kDa)排除小分子荧光干扰。研究特别选取了临床常见的viscose纤维厂工业木聚糖作为原料，通过系统调控交联剂碳链长度(n=2-8)，精确平衡核壳结构的刚性程度。

研究结果部分展现出清晰的科学发现路径：

材料设计与表征

通过1,3-二氨基丙烷交联制备的X-CPDs.3具有3-4nm的准球形结构，保留了CMX的无定形聚合物特征。13C NMR和FTIR证实了酰胺/酰亚胺交联网络的形成，XPS显示C=O/C=N和N-H键的存在促进自旋轨道耦合(SOC)和系间窜越(ISC)。特别值得注意的是，X-CPDs.3的拉曼光谱中D/G带面积比达4.43，表明其以非共轭结构为主。

磷光性能调控

短链交联剂(n=2)导致过度碳化，磷光量子产率仅0.07%；而长链交联剂(n≥4)因分子振动自由度增加，非辐射跃迁增强。唯有1,3-二氨基丙烷(n=3)交联的X-CPDs.3同时激活了核区N相关蓝色磷光中心(438/475nm，147ms)和壳层CMX黄绿色磷光中心(550nm，401ms)，实现从蓝到蓝绿再到黄绿的TDPC演变，磷光量子产率达6.46%。

低温验证机制

在77K下，所有X-CPDs.n(n=2-8)均显示蓝色磷光中心，证实核区N相关发光中心普遍存在。但仅X-CPDs.3能在室温下保持核壳双中心发光，这归因于其适中的交联密度：既避免了短链交联的过度碳化，又抑制了长链交联的分子振动。

实际应用展示

将X-CPDs.3分散在环氧树脂中制成的3D工艺品展现出动态色彩变化；设计的4×8点阵加密系统通过时-色双通道解码，实现了高级信息加密。相比传统单色RTP材料，TDPC提供了额外的信息维度，显著提升了防伪安全性。

这项研究的意义在于三个方面：首先，提出的层级发光中心耦合策略为设计自保护型TDPC材料提供了普适方法；其次，阐明了交联密度对CPDs中簇触发磷光(CTP)的调控规律，深化了对磷光机制的理解；最后，以可再生木聚糖替代石油基聚合物，推动了绿色光学材料的发展。特别值得关注的是，该工作首次实现了单一组分CPDs在不依赖外部基质的条件下展现TDPC性能，这对简化材料制备流程、提高结果重现性具有重要价值。正如研究人员指出的，这种"核主导初始发光，壳控制后期发光"的时变机制，为开发下一代智能光学材料开辟了新途径。