碳纳米点（Carbon Nanodots, CNDs）与金刚石同作为碳家族的重要成员，因其优异的荧光性能和生物兼容性，在生物标记、光电器件、信息加密等领域有重要的潜在应用。除了上述性质之外，碳点中还可以实现长寿命的磷光发射，使其在时间尺度避免与生物体背景荧光的交叠而实现更清晰的生物成像。但是，因生物体主要成分是水，而由于三重态激子在水环境下容易被自身的分子振动和水中的溶解氧消耗掉，在水溶液中实现磷光发射仍然面临艰巨挑战。近年来实验室金刚石光电材料与器件团队研究人员通过构建氢键、二氧化硅包覆等手段发展出实现水溶液中碳点磷光发射额通用策略，相关结果见Nano Research.13, 875 (2020)；Nano Today 34, 100900 (2020)；Adv. Sci. 8, 2003433 (2021)等。但是，之前所实现的磷光发射都位于蓝色或绿色波段，而在生物穿透性更强的红光和近红外波段还没有水溶性磷光碳点的报道。

针对以上问题，实验室刘凯凯副教授、单崇新教授团队通过磷光碳点辅助Förster共振能量转移（FRET）方法在碳点-罗丹明B（RhB）复合物水溶液中实现了红色/近红外的磷光发射。该方法将磷光CNDs和RhB限制在二氧化硅包裹层中，该包裹层可以有效阻挡碳纳米点和水中溶解氧的接触，从而切断了碳纳米点和氧气之间的电子转移。同时包裹层也限制了碳纳米点中价键的振动，使其三重态激子通过辐射复合方式发出磷光。该结构在紫外光激发下，碳纳米点吸收光子的能量并发射出绿色磷光，该辐射可以通过电磁相互作用引起相邻RhB的电荷变化。当两个偶极子的振动频率相同时，就会发生FRET。因此，CNDs的激发态由于偶极子-偶极子相互作用而失活，此时RhB变成能量受体，从而实现了长波长的磷光发射。该水溶性红色余辉CNDs-RhB@silica复合材料显示出良好的稳定性和生物兼容性，并成功用于小鼠体内组织的余辉成像。据知这也是第一次在水溶液中实现碳点的红色磷光发射。该结果近日以“Phosphorescent Carbon-Nanodots-Assisted Förster Resonant Energy Transfer for Achieving Red Afterglow in an Aqueous Solution”为题发表在国际知名期刊ACS Nano（影响因子：15.881）。博士生梁亚川为文章第一作者，刘凯凯副教授、单崇新教授为通讯作者。

该结果受到国家自然科学基金和中国博士后科学基金项目资助。

全文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c05234