内源自由基石墨烯量子点，实现动态深层组织近红外二区成像

　　海南大学郭东波/澳大曲松楠 Adv. Sci.：工程化超稳定内源自由基石墨烯量子点，实现动态深层组织近红外二区成像

背景介绍

　　开壳层自由基凭借其未配对电子、新颖的自旋态及无金属特性，成为光子学与量子信息技术交叉领域的前沿研究方向。其单占据分子轨道（SOMO）能级通常低于类似闭壳层体系的LUMO能级，这使得自由基材料天然具备窄带隙，有望突破传统发光材料的能隙定律，在近红外（NIR）区域实现高效的双重态发射。然而，自由基的高化学活性常导致其稳定性极差，严重制约了其在光子器件和生物成像中的实际应用。目前，通过增大空间位阻或促进电子离域来稳定自由基的策略虽有一定成效，但在碳基纳米材料中实现高密度、宽温区稳定的内源自由基仍是一项艰巨挑战。

　　针对这一核心难题，海南大学郭东波团队与澳门大学曲松楠团队合作，创新性地提出了一种二维聚合诱导自由基限域策略。研究团队以苝酰亚胺衍生物为前驱体，通过溶剂热二维聚合反应，成功在石墨烯量子点（GQDs）的周期性氮、氧缺陷位点中，构建了在100–500 K宽温区内均表现卓越稳定性的本征自由基。这些自由基的形成引发了类双层石墨烯片层的结构畸变与层内振荡，极大弱化了层间相互作用，从而“锁定”了高活性自由基。该研究不仅揭示了自由基相关的SOMO能级促进激子解离与电荷转移的内在机制，更实现了量子产率高达1.8%的高效近红外二区（NIR-II）光致发光，并据此展示了高分辨率的活体血管、肿瘤及淋巴结动态成像。

　　该研究成果以“Engineering Ultrastable Intrinsic Radicals: Graphene Quantum Dots With NIR-II Emission for Dynamic Deep-Tissue Bioimaging”为题发表在《Advanced Science》上。第一作者为海南大学博士生徐琴和硕士毕业生候逸杰，通讯作者为海南大学郭东波和澳门大学曲松楠。

图文导览

　　研究团队选用1,6,7,12-四氯-3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PDI-Cl）与盐酸羟胺作为反应前驱体。盐酸羟胺的引入不仅活化了PDI-Cl上的羰基，引发了羰基与氯原子间的缩合反应，更关键的是，它驱动了PDI-Cl单元从传统的一维线型聚合向二维平面聚合的转变（图1）。核磁共振波谱与质谱分析证实了这种二维聚合路径，其周期性位移的质荷比信号和特定的质子相关谱，共同指向了具有有序、周期性结构单元的类石墨烯量子点的形成。这种独特的生长模式，为自由基在碳核内的周期性限域提供了结构基础。

图1. GQDs的合成机制、形貌与结构表征。

　　透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）进一步揭示了GQDs独特的微观构型。TEM图像显示，GQDs具有4–6 nm的均匀粒径，但其高分辨图像却呈现出一个被连续石墨烯晶格包围的凹陷内部，晶格条纹间距约为0.22 nm。AFM图像则直观展现出GQDs并非平面结构，而是厚度约1.3 nm、中心向边缘递减的碗状构型，这与其他碳点（CDs）的球形形貌截然不同。值得注意的是，在GQDs的核心区域观察到了大量的晶格缺陷（如位错和空位），这些缺陷正是由杂原子掺杂诱发的晶格几何应变所导致（图1）。通过对无序晶格区域的逆快速傅里叶变换分析，大量点缺陷和线缺陷被确认为产生显著晶格应变的根源。这一发现与拉曼光谱中GQDs增强的D带与G带强度比以及强烈的电子顺磁共振（EPR）信号相呼应，共同证实了高含量自由基的成功引入与稳定存在。

　　为了阐明GQDs中自由基的局域环境和电子状态，研究团队结合密度泛函理论（DFT）计算进行了深入分析（图2）。在优化后的二维聚合PDI-Cl片段模型中，氮、氧原子周围的碳-碳和碳-氮键长发生了显著伸长（>1.45 Å），这可能是由局域自由基与π共轭体系中的非键电子对之间的排斥效应所致。这种本征晶格应变引入了对称的压缩-拉伸应变对，导致GQDs在傅里叶变换红外光谱中表现出相对于CDs的C–C/C–N伸缩振动红移。DFT计算构建的单层和双层模型揭示了其电子结构：二维聚合破坏了π共轭的延展性，但产生的SOMO能级源于本征自由基缺陷（IRD）态，构建了一个比CDs的HOMO-LUMO能隙更窄的SOMO-HOMO能隙（1.68 eV）。双层模型的计算进一步显示，其碗状结构与AFM观测高度吻合，并且层间相互作用因振荡构型和空间位阻而显著减弱，这从理论上解释了GQDs自由基为何能获得如此卓越的宽温区稳定性。

图2. 光学性质表征与量子化学模拟。

　　基于这一独特的电子结构，GQDs展现出显著区别于CDs的光学性质。相比于CDs在550–780 nm的扩展π共轭吸收，GQDs在600–1000 nm范围展现出更强的宽带吸收，并在808 nm激发下，发出峰值位于855 nm、拖尾至1300 nm的NIR-II荧光，相较于CDs红移了约125 nm（图3）。为了厘清这种近红外吸收的来源，研究者通过外加自由基的实验证明，CDs在引入自由基后会出现约700 nm的新吸收带，而GQDs在遭遇外部自由基时，其750 nm处的吸光度反而因自由基湮灭而降低。这一正一反的证据链，明确将GQDs的NIR吸收带指认为IRD态。尤为重要的是，定量EPR显示每个GQD约含0.7个未配对电子，且其EPR信号在100至500 K的极端温度范围内均保持稳定，甚至在升温时因热促自旋离域而增强。

图3. 光物理性质研究与表征。

　　激发态动力学研究揭示了从π共轭域到IRD域的高效能量/电荷转移过程，这是实现NIR-II发射的关键（图3）。时间相关单光子计数结果显示，GQDs在540 nm的绿光发射寿命（2.42 ns）显著短于CDs（5.05 ns），表明共轭域的激子存在额外的非辐射衰减通道。通过监测不同波长的衰减动力学，研究者捕捉到了一个清晰的激子迁移过程：850 nm荧光信号的上升沿与540 nm信号的衰减沿相互交叉，直接证实了激子从共轭域向IRD域的扩散。自由基清除剂甲醇的介入进一步佐证了这一点，它通过淬灭自由基，显著延长了GQDs的绿光寿命并削弱了其近红外发射。飞秒瞬态吸收光谱则更精细地描绘了这一动态图景：在400 nm光激发后，归属于共轭态的基态漂白信号和归属于IRD态的基态漂白信号相继出现，且二者的衰减寿命高度吻合，清晰地指明了激子“产生→扩散→被IRD捕获→复合”的完整弛豫路径。含时密度泛函理论计算也支持这一机理，显示GQDs的激发态具有显著的电荷转移特征，电子从边缘共轭域向核心的自由基位点迁移。

图4. 自由基激发动力学与发光机制。

　　最终，为了克服GQDs在水溶液中因自由基淬灭导致的荧光猝灭问题，研究团队采用DSPE-mPEG对其进行胶束封装。所得的GQD胶束不仅在水中恢复了明亮的NIR-II荧光，还表现出优异的生物相容性。凭借其卓越的光学性能，GQD胶束在活体成像中展现出巨大潜力。在808 nm激光激发下，使用1300 nm长通滤光片进行血管成像，获得了比900 nm滤光片下高1.74倍的信号-背景比，并能清晰分辨小鼠后肢的动脉和静脉（图5）。更为突出的是，GQD胶束成功实现了穿过完整颅骨和头皮的脑血管无创可视化，其半峰全宽仅为76 µm，空间分辨率远超商业染料吲哚菁绿。此外，通过高帧率动态成像，该系统实时捕捉了GQD胶束在小鼠体内的全身循环过程，从肺部、脊柱到肝肾，其代谢路径被清晰绘制。在淋巴系统成像中，GQD胶束更以高达25.7和30.5的信号-背景比，超清晰地解析了淋巴结和淋巴管，为目前碳点基淋巴成像的最高水平。

图5. 合成机理与近红外二区荧光成像。

结论与展望

　　综上所述，本研究开发了一种通过二维聚合在石墨烯量子点中构建超稳定本征自由基的全新策略。该类碗状的类双层石墨烯结构通过其独特的层内振荡，有效弱化了层间相互作用，从而实现了自由基在宽温度范围内的卓越稳定性。这些被周期性阵列缺陷所稳定的自由基，构成了本征自由基缺陷态，并通过高效的激子解离与电荷转移机制，实现了明亮的NIR-II区发光。封装后的GQD胶束成功应用于小鼠全身血管、脑部、淋巴结及肿瘤的高分辨率、实时动态成像，展示了其在精准医疗诊断领域的巨大临床转化潜力。该工作不仅为合成高稳定性碳基自由基材料提供了新范式，也为下一代光子学及自旋电子学器件的开发奠定了重要基础。

　　来源：碳点人