通过扩大π体系与调控电子结构实现石墨二炔量子点荧光从蓝到红的可调谐发射

《Molecules》：Tunable Fluorescence of Graphdiyne Quantum Dots by Enlarging π System and Altering Electronic Structure

　　

拓展石墨二炔量子点衍生材料的荧光范围至已报道的以蓝绿区为主之外的区域，可能拓宽其在荧光成像与传感中的应用。为解决这一问题，研究人员首先通过经典水热法与溶剂热法获得了具有绿色、黄色和红色荧光的改性石墨二炔量子点（M-GDQDs）。实验与理论研究已表明，π体系的扩大与电子结构的变化有助于荧光发射波长的红移，尽管共轭与表面化学各自的贡献无法被定量分离。所制备的M-GDQDs表现出优异的光学性质、良好的水溶性以及出色的生物相容性，这些均有利于生物成像。该研究不仅丰富了石墨二炔量子点的种类，还可用于构建多通道荧光生物传感平台。研究人员认为，M-GDQDs的出现为纳米医学及疾病相关生物标志物分析领域提供了有前景的应用前景。

石墨二炔（GDY）是2010年由Li等人首次通过实验获得的石墨炔，其基本结构单元为含18个碳原子的大三角形环，苯环之间存在两个乙炔基（C≡C）。凭借均匀分布的孔道、高π共轭以及电学、光学和力学性质，GDY及其衍生物在催化、能源与环境领域受到广泛关注。GDY于2016年首次应用于荧光生物传感，此后Jia等人报道石墨二炔氧化物（GDYO）在生物体系中比氧化石墨烯（GO）更稳定且细胞毒性更低。为拓展GDY的应用，石墨二炔量子点（GDQDs）因其低毒性、良好溶解性、荧光、电化学活性及类过氧化物酶活性而受到关注。2018年Liu等人首次以溶剂热法从GD片层合成GDQDs并用于钙钛矿太阳能电池；2019年Nie团队以水热法获得绿色荧光GDQDs并评价其体内外生物安全性；此后Sui等人利用GDQDs的蓝绿荧光构建了铁离子与抗坏血酸（AA）同时分析的生物传感器；Salimi实验室设计了检测miRNA-21的比例荧光分析；本团队通过水热处理获得氮掺杂石墨二炔量子点（NGDYQDs）并构建电化学传感器定量氯霉素（CP）；Sui课题组亦将氮掺杂石墨二炔点（N-GDQDs）用于多巴胺的光-电化学传感；Sun等人于2022年将石墨二炔氧化物量子点（GDYO QDs）作为类过氧化物酶用于H₂O₂与L-半胱氨酸分析；Sui等人构建了N-GDQDs/AuAg纳米笼用于抗菌纳米酶。然而，上述多数GDQDs发射位于蓝绿区，可能限制其在需要长波长荧光场合的应用；同时，构建多通道荧光生物传感平台并提升GDQDs基纳米酶的酶活性亦有必要。因此，制备多色荧光发射的GDQDs是迫切问题与重大挑战。根据已有文献，带隙窄化可通过扩大sp²畴尺寸（即扩大π体系）与引入给电子基团（即改变电子结构）实现。基于此，研究人员以三种芳香胺制备改性GDQDs，评价其光学与电子性质变化趋势，并探索其在培养细胞中的摄取与荧光成像。

研究人员开展了四类典型石墨二炔量子点的制备与系统表征：先以水热法从GDY制备蓝色荧光GDQDs，再使邻苯二胺（OPD）、1,8-二氨基萘（D18）与1,1′-双(2-萘胺)（BNP）与GDQDs经缩合反应生成具有吩嗪、酰胺与苯并咪唑结构的改性量子点（OPD-GDQDs发绿光、D18-GDQDs发黄光、BNP-GDQDs发红光）。结论为：荧光可由蓝至红调谐，红移源于π体系扩大与电子结构改变所致的带隙窄化；所制备量子点水溶性好、生物相容性优异，可用于MCF-7细胞多色荧光成像。意义在于这是首次报道多色发光的石墨二炔量子点，丰富了GDQDs种类，并为多通道荧光生物传感平台、纳米医学与疾病相关生物标志物分析提供新工具。

关键技术方法：透射电子显微镜（TEM）与高分辨TEM（HRTEM）结合粒径统计表征形貌与晶格；X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）与X射线光电子能谱（XPS）表征结构与表面化学；紫外-可见-近红外吸收光谱与Tauc作图、线性扫描伏安法（LSV）确定带隙与能级；稳态与时间分辨光致发光（PL）及积分球绝对量子产率（QY）测定；密度泛函理论（DFT）计算HOMO-LUMO；共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）结合内吞抑制剂与温度控制研究细胞摄取途径及成像。样本为MCF-7细胞。

研究结果：

2.1 合成与表征：TEM/HRTEM显示四类量子点均为球形、分布均匀，晶格条纹间距0.36 nm对应石墨002面；平均粒径由2.5 ± 0.8 nm增至4.3 ± 0.4 nm。XRD峰由GDQDs至BNP-GDQDs逐渐变锐，半高宽（FWHM）由15.93°降至7.63°，提示有效共轭长度增加。拉曼谱G带增强、1932与2195 cm^?1弱峰减弱，D带无明显差异。FTIR显示含氧基团强度下降、C=C增强、C≡C基本不变，并出现N–H、C=N、C–N及吩嗪骨架振动，说明缩合成功且保留石墨二炔结构。XPS显示C/O比升高，C 1s中新增C=N峰，sp² C/sp C面积比由1.06升至1.45；N 1s分为398.7、399.8、400.6 eV三个组分；O 1s中COOH与C=O显著减少。研究人员同时指出，纯化步骤无法完全排除分子荧光团，碳核发射与分子态发射的精确贡献尚待阐明。

2.2 光致发光性质：四类量子点均呈激发依赖性发射，最大发射峰分别为465、540、600与650 nm，CIE 1931坐标依次为(0.198, 0.244)、(0.408, 0.547)、(0.522, 0.470)、(0.621, 0.379)；最佳激发波长依次为380、467、471与530 nm，呈红移趋势。时间分辨PL双指数拟合得平均寿命由2.57 ns降至1.23 ns，绝对QY由14.96%降至7.41%；估算辐射速率（k_r）无一致下降趋势，而非辐射速率（k_nr）由0.3309增至0.7528 ns^?1，表明非辐射弛豫增强是QY下降的重要原因。稳定性方面，量子点在中性pH波动较小、酸碱条件下降，在0~2 mol/L NaCl中荧光基本不变，150 W氙灯照射120 min后保留约85–90%初始强度。吸收谱中n-π*肩峰由约350 nm延伸至530 nm；Tauc法得带隙由2.69 eV降至1.96 eV，LSV得2.65、2.34、2.14与1.94 eV，与吸收结果一致。DFT计算显示随π体系增大LUMO显著下降、HOMO缓慢上升，带隙逐渐窄化；含羰基模型带隙2.99 eV，含羟基模型2.94 eV，羧基相关结构由2.84 eV降至2.51 eV；苯并咪唑结构对带隙影响强于酰胺结构，电子结构影响弱于π体系。研究人员强调DFT模型为简化代表，仅用于考察定性趋势。

2.3 生物安全性、细胞摄取途径与生物成像：MTT显示浓度高达500 μg/mL时MCF-7细胞存活率仍超过70%；JC-1线粒体膜电位实验表明量子点孵育细胞与未处理细胞极性相似。摄取具温度依赖性（4 °C与25 °C下荧光明显弱于37 °C）；氯丙嗪（CP）预处理几乎无影响，说明网格蛋白介导内吞参与极少；GDQDs在染料木素（GE）存在下荧光下降约68%，以窖蛋白介导内吞为主；OPD-GDQDs、D18-GDQDs、BNP-GDQDs在5-(N-乙基-N-异丙基)阿米洛利（EIPA）作用下分别下降约73%、78%与70%，以巨胞饮为主。CLSM显示未处理细胞背景荧光可忽略，孵育100 μg/mL量子点4 h后分别呈现蓝、绿、黄、红荧光信号，表明其可穿透细胞膜并经多种内吞途径分散于细胞质，具备多色荧光成像探针潜力。

讨论与结论：研究人员通过常规水热与溶剂热处理实现了GDQDs的荧光可调谐；光学测量与代表性理论计算与共轭相关变化及电子环境改变对红移的贡献相一致，但各因素作用无法从现有数据中定量分离。改性后获得绿色OPD-GDQDs、黄色D18-GDQDs与红色BNP-GDQDs，其适宜的光学性质、良好水溶性与生物相容性使其可用于生物成像。该工作拓展了所研究GDQD衍生材料的荧光颜色范围；尽管其不具备其他碳纳米颗粒（CNPs）那样的高QY与长荧光寿命，研究人员认为其将有益于能源、催化、光电器件、生物传感器、纳米医学等相关领域应用。