石墨烯量子點之熒光成像性質_機理 (#19)

2015-7-21

熒光是種光致冷發光的現象，當某種常溫物質經某種波長的入射光 (通常是紫外線或 x-ray) 照射，吸收光能後進入激發態，且立即退激發並發出出射光 (通常在可見光波段，波長比入射光的波長長﹔且一旦停止入射光，發光現象也隨之立即消失)。而熒光可在吸光激發後約 10^-8秒內發光，其能量小於吸光的能量。通常，若是把材料製成量子點大小，則電子容易受到激發而改變能階，與電洞結合後就會放出光﹔而發出光的能量強度 (波長)和量子點大小成正比。但並不是碳材料大小在幾個納米就稱為量子點，其所產生的熒光發射與激發波長相關是可以測量出來的。

石墨烯量子點由於「邊緣效應」和「量子尺寸效應」可表現出獨特的光化學特質。石墨烯除了具有碳量子點所具有的優點外，其熒光具有激發波長依賴。當激發波長從 310 nm 變成 380 nm 時，熒光發射峰位置的相應從 450 nm 移至 510 nm，光致發光強度迅速降低。而南京大學從氧化石墨烯（GraphenenOxide）到還原的氧化石墨烯（reducednGraphene Oxide）的化學還原過程，通過高分辨的透射電子顯微鏡、拉曼光譜、傅立葉變換的紅外光譜等手段研究在還原過程中結構發生的變化，並將這些結構上的變化和熒光光譜的演變聯繫起來。發現氧化石墨烯主要表現出寬譜的紅光發射，主要來源於含氧官能團相關結構。還原後，石墨烯表現出激發光波長依賴的發射波長移動的發光譜，發光波長涵蓋從 430 到 650 nm 的範圍，強度逐漸減弱。特別要注意的是，藍光發光強度比其他波長的發光要強得多，並且隨著激發光波長從 300 到 350 nm變化，熒光峰基本不移動，熒光壽命相比長波長的發光要短，這些特徵表明藍光和長波長的發光起源是不一樣的。 (注﹕量子點尺寸越小，其禁帶寬度越大，發射波長越短，稱為量子尺寸效應)

在還原的過程中，石墨烯結構上發生的變化主要有三方面，其一，含氧官能團減少，其二，石墨結構的碳團簇（sp2nC clusters）的形成，其三，由於含氧官能團移除造成的碳空位缺陷。他們提出長波長的發光起源於 sp2nC clusters 的尺寸效應，這與大量的前期研究結果是一致的，而藍光則其起源於碳空位缺陷，第一性原理的計算也驗證了這一結論。他們還研究了各種化學修飾石墨烯的熒光，發現均表現出相似的規律，發光譜由兩部分組成，峰位不移動的藍光發射和峰位變化的長波長發光。相對於沒有進行修飾的石墨烯，長波長發光顯著增強。他們提出這是由於嫁接的官能團能夠提供新的激發躍遷過程，並且增強原本很弱的 sp2nC clusters 的尺寸效應的激發過程，使得相應的發光過程得到增強。這一結果對於設計和調控石墨烯熒光具有重要的參考價值。

nn成像就是生物樣本的造影技術，依照樣本尺寸大小可概分為組織造影與細胞分子造影的顯微技術。這些大致都需要光學技術配合生物樣本的特性發展，少數會使用光以外的波動性質，例如﹕核磁共振及超音波等。石墨烯量子點特別適用於生物影像和光學儲存的應用。
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