于晓微在CCS Chemistry 上发表文章：磷光碳点的寿命设计及其在裸眼可视的光多路复用中的应用

寿命编码的光学多路复用可以有效地避免光谱重叠和背景干扰，因此被广泛应用于生物，光学数据储存以及信息防伪等领域。实现寿命编码的光学多路复用的一个关键因素在于实现材料的发光寿命在宽范围内可调。目前，用于寿命编码的光学多路复用的材料均含有毒性强，成本高且不可再生的稀土或重金属离子。此外，这些材料的寿命域局限在微秒。瞬态的成像过程难以用相机捕捉，需要昂贵的时间分辨扫描系统，因此限制了寿命编码的光多路复用的应用。低毒性，低成本的碳点基室温磷光材料很容易实现秒级别的余辉发射，是裸眼可视的光多路复用的理想材料。然而，和镧系掺杂的纳米粒子相比，实现碳点的室温磷光寿命在宽范围内的可控调节，仍然是一个挑战。

2017年，吉林大学于吉红课题组提出了“量子点于分子筛中”的合成策略，开发出一类全新的具有350ms延迟荧光寿命的碳点@分子筛复合材料。此后，2020年，该课题组为了进一步提高复合材料的发光效率和长余辉寿命，采用无溶剂合成法和外加碳点前驱体的策略，制备了具有2.1 s超长室温磷光寿命的碳点@分子筛复合材料。值得注意的是，外加碳点前驱体的多样性以及分子筛基质的可调性，为实现碳点的室温磷光寿命在宽范围内的可控调节提供了可能性。因此，碳点@分子筛复合材料有望实现裸眼可视的寿命编码的光学多路复用。然而，目前，对碳点@分子筛复合材料的室温磷光寿命的系统调控还未被研究，各种反应因素对室温磷光寿命的调控机理仍不清晰。

本文作者通过调节碳点前驱体，沸石基质（拓扑结构和硅铝比），晶化时间和温度，采用无溶剂合成法，设计了9种具有不同的室温磷光寿命的碳点@分子筛复合材料（0.38 s-2.1 s）（图1）。一般来说，最低单线态和最低三线态之间的带隙值越小，以及能促进S态和T态之间自旋轨道耦合的C=O/C=N键越多，越有利于产生一个较大的系间窜跃速率和较长的磷光寿命。此外，对碳点有效的固定，如将碳点限域在客体基质中，或构筑一个可以作为基质来自稳定三重态激子的致密碳核，会有效地抑制非辐射跃迁过程，降低非辐射跃迁速率，从而延长磷光寿命。在此工作中，受各种反应因素的影响，碳点的带隙值，碳点中官能团的含量，碳核的结构，以及碳点和沸石基质之间的相互作用都是可调的，因此导致了可调的系间窜跃速率以及非辐射跃迁速率，这是实现碳点@分子筛复合材料磷光寿命设计的关键。鉴于这一系列材料具有宽范围内可调的长磷光寿命，作者将其应用于裸眼可视的寿命编码的光学多路复用，实现了人物加密（图2）。这项工作为实现碳点基材料在光多路复用领域的应用开辟了一个新的前景。

图1.（a）碳点和分子筛的前驱体。（b）碳点和碳点@分子筛复合材料的制备示意图。（c）9种碳点@分子筛复合材料的伪彩处理的磷光图像。（d）碳点（左）和碳点@分子筛复合材料（右）中修正的Jablonski跃迁示意图。

图2.（a）三种材料的室温磷光寿命柱状图及衰减曲线。（b）光多路复用应用。下：相机捕捉的人物变化过程展示。上：伪彩处理的人物磷光图像变化。

相关的研究成果近期发表在CCS Chemistry杂志上，第一作者为博士研究生于晓微，通讯作者为吉林大学于吉红院士，李激扬教授和郑州大学的刘凯凯副教授。

https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000639