碳点双光子效应开题报告

1. 研究目的与意义

碳点作为新型荧光碳纳米材料，不仅具有优良的光学性能与小尺寸特性，而且还具有低细胞毒性。近年来，量子点以其优异的荧光性能已经在生物，医疗等领域取得了广泛应用，但是研究发现量子点中的重金属离子具有较强的细胞毒性，同时量子点还具有光眨眼现象，这使得其实际应用受到了一定程度的限制。而碳点可以克服量子点细胞毒性及光眨眼现象的问题。因此，碳点是替代量子点的良好选择。双光子过程是长波吸收短波发射，其吸收过程有着高度的三维空间选择性和高穿透性。基于此发展而来的双光子荧光显微镜为生命科学研究提供了重要工具。双光子吸收是在三维空间内的任一点的吸收，因此双光子显微成像可以不使用传统的小孔光阑就可以实现样本的三维成像。由于采用近红外的飞秒激光作为激发光源使得双光子荧光显微成像时不仅可以具有高的穿透深度而且可以有效的避免生物体系的紫外可见光损伤。本课题主要研究碳点这种新型荧光碳纳米材料在双光子成像中的应用。探讨这种新型材料的优势与特点。

2. 国内外研究现状分析

碳点是一种尺寸小于10nm的分散的类球形荧光碳纳米颗粒。2004年，Scrivens组的研宄人员利用电泳纯化由电弧放电法制备的单壁碳纳米管时，首次得到了发光碳点。2006年，Sun等人通过激光切割石墨的方法得到了碳纳米颗粒，随后浓硝酸氧化使其表面富含羧基，最后再利用氨基化的聚乙烯乙二醇对其表面包覆，最终得到了发光区域覆盖整个可见光区的碳点。实验中观察到这种碳点无光闪烁现象。之后，Zhao等人在实验中用氙灯对制备的碳点进行连续6小时光照，发现照射后碳点的荧光发射没有明显减弱，同样证实了碳点无光闪烁的特点。在此之后，关于碳点的研宄开始迅猛发展起来。在众多的研宄中，碳点的发光机制是人们探索的重要方向之一。由于碳点结构比较复杂，表面态也不清楚，所以其发光机制尚不明确。目前大多数研究者认同的碳点发光机制是Sun等人提出的，他们认为，碳点能够发光是由于其表面存在能量陷阱，碳点经表面修饰后即可发光，与修饰后的碳纳米管发光相类似这种理论在解释桂纳米颗粒发光时得到了研究人员的普遍认可。另一种解释是Bourlinos等人提出的，主要针对热分解有机物得到的碳点，他们认为在有机物热分解的过程中会出现碳原子的重新组合，形成一些多环芳香化合物、石墨氧化物或具有碳氧结构的褐煤，煤炭和腐殖质物质的结构相类似，碳点的激发光依赖发光现象就是由于出现多种芳香化合物造成的。Tian等人利用碳核磁共振（I3CNMR）测试证实了这种观点，测试结果显示，制备的碳点中存在苯环碳，而无sp3或sp1碳，由此推测，碳点发光是由于存在的苯醌类化合物导致的。

3. 研究的基本内容与计划

迄今为止，碳点的制备研究己经取得了很大的进展，多种合成方法己经被成功的研究出来。按照碳点合成的构建方法，大体上可分为自下而上（bottom-up）和自上而下（top-down）两大类。自下而上的方法主要是指以小分子为前驱体合成碳量子点；自上而下的方法是指将碳量子点从较大碳材料上剥离或刻烛下来，主要包括的方法有：电化学合成法、激光消融法等。

4. 研究创新点

基于此发展而来的双光子荧光显微镜为生命科学研究提供了重要工具。双光子吸收是在三维空间内的任一点的吸收，因此双光子显微成像可以不使用传统的小孔光阑就可以实现样本的三维成像。由于采用近红外的飞秒激光作为激发光源使得双光子荧光显微成像时不仅可以具有高的穿透深度而且可以有效的避免生物体系的紫外可见光损伤。本课题主要研究碳点这种新型荧光碳纳米材料在双光子成像中的应用。探讨这种新型材料的优势与特点。