研究示意圖。 受訪者供圖

記者9月10日從哈爾濱工業大學獲悉，該校教授李保強課題組從分子基團的精准調控入手，揭開了有機膦基團調控碳點熒光特性的分子機制，並合成出兼具高熒光量子產率和超強金屬離子親和力的新型碳點。相關成果日前發表於化學與材料領域學術期刊《德國應用化學》。

碳點是指粒徑尺寸小於10納米的碳納米顆粒，具有優異的熒光性能和良好的生物相容性。碳點可用於水環境中銅離子檢測和生物體或細胞內銅離子檢測。長期以來，為了調節碳點的發光特性，科學家通常會往材料裡摻雜磷元素。然而，由於一直沒能弄清特定化學基團到底是如何起作用的，這種摻雜就像開“盲盒”：即便在相同的處理條件下，使用不同的磷前驅體做出的碳點，發光效果往往也大相徑庭，甚至出現完全相反的結果。如何厘清特定化學基團對碳點的熒光與金屬離子親和力性能影響，並實現碳點材料“按需定制”，成為亟待解決的科學難題。

針對這一難題，研究人員開發了一種基於組合前驅體的精准合成碳點策略。該策略以聚丙烯酰胺為基礎組元，像搭積木一樣，將含有TPP的膦鎓基團或PA的苯基膦酸基團的分子通過自由基共聚同步水熱碳化技術摻雜到碳骨架，精准合成了8種前驅體衍生碳點，從而能夠在復雜的碳骨架中，清晰地剖析不同有機膦基團的調控作用。

研究結果顯示，這兩種有機膦基團對碳點的熒光特性呈相反的調控能力。體積龐大的TPP能夠讓碳骨架變得更加“剛性”，限制分子內部運動，從而使碳點的發光亮度（絕對量子產率）大幅提升1.57倍﹔而吸電子的PA則像一個“陷阱”，會導致無輻射消耗，使發光減弱。

在金屬離子親和力方面，二者同時存在能使碳點對銅離子展現出超強配位親和力。在環境監測方面，該碳點對銅離子的響應時間不到2秒，且在自來水和城市河水樣本中均實現了准確的定量回收，為實時水質監測提供了高效平台。在生物檢測方面，該材料表現出極低細胞毒性，即使在極其復雜的細胞內微環境中，依然能夠穩定、精准地識別並捕捉銅離子。

該研究完成了從“材料精准合成”到“基團作用機制解析”，再到“環境與生物應用驗証”的完整閉環，實現了碳點研發從經驗性原子摻雜，到基於官能團定向設計的定量可控合成的升級。這不僅為解決碳納米材料性能調控精度不足的共性問題提供了新的解決路徑，也為后續面向環境監測、生物醫學等領域的智能發光材料開發奠定了可復用的設計基礎。（記者朱虹）