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贯穿 8 年入选 2015-2022 年爱想唯尔中国高被引学者榜单（当年发布前一年榜单），这就是清华大学培植。低维纳米合成、结构、机理、性质过甚互说合系是他的主要参谋对象。

近日，他和团队发现了一种石墨烯量子点，借助催化反应将单个石墨烯量子点从非耀眼诊疗为耀眼现象。

行动一个遑急的材料眷属，碳基量子点能够用于生物成像、以及提供生物经由的原位监测等。

针对这次发现的单个石墨烯量子点荧光光谱的分析效果潜入，这种石墨烯量子点荧光信号不错行动催化反应的光学探针，或能加深东谈主们对于单个量子点的异质性反应性和催化能源学的矍铄。

图 | 曹化强（起原：）

与刻下常用的联用技巧比拟，这种垄断光谱学技巧解说荧光来自于单个量子点的要领，具备可操作性更强、开发要求更粗浅的上风。同期，垄断这种要领还能评价单个量子点催化剂的催化活性，从而为高效催化剂合成提供依据。

施行上，此参谋不仅垄断单颗粒光催化反应解说了荧光来自单颗粒，其还聚首光生载流子的跃迁经由、以及光催化的反应机制，对单个量子点上的光催化反应能源学进行了探索，为参谋单颗粒上的催化反应提供了新的参谋决策。

（起原：Advanced Optical Materials）

从量子力学角度来看，量子点是指具有独到电子结构的物资，它里面一般包含三维铁心的电子和空穴（时常是半导体）。量子限域效应，则是界说量子点的关节词。

泛泛来讲，量子点是一种半导体纳米晶，具有与尺寸说合的光学性质和电子性质。这是因为，当将量子点（半导体纳米晶）的尺寸减小至激子波尔半径以下，会呈现量子限域效应，从而让激子被铁心在一定的三维空间之内，进而导致其光学性质高度依赖于本身尺寸的大小。

激子波尔半径，是给定材料的特征属性。形象地说，当量子点尺寸范围处于量子限域效应的现象下，激励的电子能够“感受”到粒子领域的存在。量子点尺寸变化的反映，表目下其能谱会出现相应的变化。

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石墨烯，由原子量低的碳原子构成。因此，其具有较小的介电常数和较弱的自旋-轨谈耦合，这会产生很强的载流子-载流子互相作用，以及具有明确的自旋多重性的电子态。

同期，石墨烯亦然一种独到的二维半导体材料。它具备零带隙和载流子有用质地为零的特质。其载流子的能量功令，并不投诚其他半导体的尺寸-范例定律。

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是以，纳米尺寸的石墨烯或石墨烯量子点，应该会出现迥别于一般半导体材料的新景象，这也意味着它可能领有一些独到的电学本性和光学本性。而通过监测活细胞中的单个非耀眼量子点，对于意会细胞能源学经由具有遑急道理。

时常，东谈主们字据反聚束景象或荧光耀眼景象来判断单个量子点。往时，东谈主们认为上述要领可被用于识别单个量子点的反聚束景象，即同期不雅察到两个或多个光子的概率为零，这亦然产生单光子光源的骨子。

然而，这一要领对于原子数量或离子数量具有很强的依赖性，故曾遭到质疑。此前，两位凝华态物理及量子物理学家、以及一位单分子光谱群众分辩建议如下质疑：将其用于细则单个量子点，是否具有充分性和必要性？

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最近的一些参谋标明，单一反聚束可能并不及以解说荧光来自于单个量子点，主要原因在于单个量子点是由数千个原子构成的，原则上成心于量子点酿成多激子态。

1996 年，一支外洋团队率先发现了单个量子点在稳态下的荧光耀眼景象，即在 ON 态（亮态）和 OFF 态（暗态）之间飞快切换。尽管有学者认为鸿沟内还是在量子点耀眼机制上赢得了一些共鸣，然而量子点耀眼仍是一个尚未十足意会的“谜”。

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不外，东谈主们忖度它可能是由电子转换经由引起的。是以，量子点耀眼景象，也被认为是具有量子限域效应的单个量子点的本性。

于今，险些统共被参谋过的单分子体系的荧光，皆发达为某种神志的耀眼、波动、或其他飞快行径。这种荧光耀眼行径，也成为了单分子体系的广宽特征。

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在大的量子点集结体中，险些不雅察不到这种耀眼行径。因为，能对总体发光行径产生孝顺的多样辐射器，它们之间并莫得任何关系。

而针对单个量子点开展跟踪，不错让咱们了解分子是如何动态编排酿成拼装体、如何进行单分子荧光检测、以及如何操控单纳米粒子催化的。

对于生物成像来说，它需要来自单个量子点的不耀眼的荧光，以便助力于时空分辨率的及时候析。是以，欧博会员注册细则单个量子点是一个卓越有道理的责任。

然而，如何细则具有不耀眼的荧光是来自单个量子点、如故来自平均化的量子点集结体？这是一个最初要惩处的问题。

（起原：Advanced Optical Materials）

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课题组认为，垄断荧光耀眼景象大略是行之有用的宗旨。有了这个想法，他们驱动设计能让非耀眼荧光量子点诊疗成耀眼荧光量子点的要领。

自后，他们猜想不错垄断光催化反应来拿获光生电子与空穴，进而窒碍电子、空穴的辐射复合，从而使之出现暗态。这么一来，就能让量子点荧光从非耀眼变成耀眼现象，借此细则荧光到底是否来自于单个量子点。

事实上，本课题参谋最早可追猜想 11 年前。其时，该团队还是驱动参谋石墨烯量子点的荧光机制。

2014 年，去英国剑桥大学作念访谒参谋，自那时起驱动和剑桥大学材料系安东尼·奇塔姆（）院士、乔治. 内维尔·格里夫斯（G. Neville Greaves）培植（现已死去）等相助者，全部就石墨烯量子点荧光机理等课题进行深入相助。

跟着对石墨烯量子点的荧光生物成像、以及对不耀眼荧光机理的深入参谋，他们发现石墨烯量子点的荧光本性具有非消灭般的半导体量子点的景象。

这让他们愈发合计如能围绕荧光耀眼景象作念一些责任，将会愈加意思意思。因此，基于前期的调研和参谋，担任本次论文一作的博士生付伟，驱动探索石墨烯量子点的荧光耀眼变化。

经过大批分析之后，最终建造了垄断催化反应，来调控不耀眼石墨烯量子点荧光的想路。

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另据悉，这次课题选拔了逆向想维。除了课题组我方进行大批合手行筹商以外，他们还向其他课题组学习，包括与 院士开展屡次视频疏导等。

有些光学性质测试不仅要在清华大学进行，还需要到南京大学和中科院物理所进行测试，最终他们才确切建造了实验决策。

由于需要垄断单分子荧光成像技巧来完成单颗粒光催化反应，因此在实验决策细则后，课题组进行了大批的实验，从反应开发的构建到反应要求的优化，到针对每一次实验景象和效果进行分析、反馈、再分析。如斯反复，最终已毕了荧光从非耀眼到耀眼的诊疗，也完成了对于开拔点想象的考据。

（起原：Advanced Optical Materials）

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论文投稿之后，审稿东谈主问询课题组石墨烯量子点是否是 Frenkel 激子态？对此默示：“于是，咱们垄断瞬态继承测试补充了说合实验，就审稿观点作念了恢复。在新冠疫情比较严重的时候，赢得了中科院物理参谋所副参谋员猖厥搭救，匡助咱们完成了瞬态继承光谱等实验。”

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最终，说合论文以《通过单粒子催化识别的单个非耀眼石墨烯量子点》（）为题发在 Advanced Optical Materials 上，付伟是第一作家，和 担任共同通信作家。

图 | 说合论文（起原：Advanced Optical Materials）

将来，课题组贪图将该参谋彭胀到其他荧光非耀眼量子点。除了石墨烯量子点外，其他荧光非耀眼量子点能否已毕在单颗粒层面上的光催化反应，并用于辨认荧光源于单个沉寂孤身一人的颗粒？这还需要进一步的考据。前不久，他们还是完成了前期的基础实验。

此外，该团队也将探索石墨烯量子点荧光耀眼的机理。量子点的荧光耀眼景象自 1996 年发现以来，引起了东谈主们往常的意思，包括化学家、凝华态物理学家、材料学家、生物学家皆尝试来限度量子点的耀眼行径，目放学界针对该课题的参谋已近三十年之久。

尽管还是取得一些矍铄，以致有些学者认为取得了一些对于耀眼的共鸣。然而，耀眼是一个尚未十足意会的“谜团”，它很可能是由电子转换经由所引起，尤其是发达出与半导体材料不同性质的时候。同期，石墨烯量子点这种稀奇的核壳结构量子点（里面为 sp2 核，角落为含氧官能团），其荧光耀眼机制又是如何？目下，尚未看到说合报谈。

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因此，筹商石墨烯量子点的发光机理，对于丰富和完善量子点荧光机制的意会具有遑急道理。对于此，课题组的说合新论文已被 Adv. Mater.接纳和上线（DOI: 10.1002/adma.202304074）。

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临了，还贪图把石墨烯量子点用于生物医学鸿沟。碳材料的上风之一在于具备考究的生物相容性，因此不错行动多样分子的载体。由于具有很好的可修饰性，石墨烯量子点不错字据不同的环境要求，来制备具有特定识别功能的材料。

同期，垄断石墨烯量子点优异的光学性质，通过改变局部温度或生物体内活性氧的均衡，有望对早期癌症发病部位进行诊疗。目下，说合责任也已正在开展中。

参考贵寓：

1.Fu, W., Cao, H., & Cheetham, A. K. Single Non‐Blinking Graphene Quantum Dots Identified by Single‐Particle Catalysis.Advanced Optical Materials, 2300434.

运营/排版：何晨龙

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