研究背景

碳点（CDs）是一类新型零维碳基纳米材料，由 sp²/sp³ 杂化碳核构成，表面富含官能团，具有优异的光学性能、易修饰性和强抗光稳定性。将光致变色与室温磷光整合到同一碳点体系中，有望构建更加丰富的多模式光响应材料。然而，现有碳点体系多集中于单一荧光或短波长磷光响应，同时实现可见光致变色、长波长室温磷光和激发依赖余辉调控仍然具有挑战。

文章概述

基于此，安徽大学毕红教授团队以 1,4,5,8 - 萘四甲酸（1,4,5,8-NA）和聚 - L - 赖氨酸（PLL）为前驱体，通过简单的一步微波法合成了兼具光致变色和激发依赖性室温磷光（ED-RTP）的氮掺杂碳点（N-CDs）。所制备的 N-CDs 表现出多模式光响应行为：在 365 nm 紫外光照射下，荧光发射从 430 nm 显著红移至 600 nm；移除激发源后，N-CDs 呈现激发依赖性室温磷光：295 nm 激发下呈现 526 nm 绿色余辉，365 nm 激发下呈现 624 nm 橙红色余辉。光谱表征表明，365 nm 照射下原位生成的萘酰亚胺自由基物种及相关能量转移过程在光致变色行为中起关键作用；而激发依赖性室温磷光源于 N-CDs 的碳核态和表面态双发射中心。得益于光致变色与激发依赖性室温磷光的协同特性，N-CDs 为多维信息加密和高级防伪应用提供了多功能光响应平台。

图文导读

图1.N-CDs 的合成与结构表征 (a) N-CDs 的制备示意图；(b) N-CDs 的透射电镜图（插图：高分辨透射电镜图及粒径分布）；(c) N-CDs 的 X 射线衍射图谱；(d) N-CDs 的拉曼光谱；(e) N-CDs、1,4,5,8 - 萘四甲酸（1,4,5,8-NA）和聚 - L - 赖氨酸（PLL）的傅里叶变换红外光谱；(f) N-CDs 的 X 射线光电子能谱全谱及 (g) 碳 1s、(h) 氮 1s、(i) 氧 1s 的高分辨 X 射线光电子能谱

图2. N-CDs 的光致变色与激发依赖室温磷光性能 (a) 固态 N-CDs 在 365 nm 紫外光照射不同时间后的荧光光谱；(b) 对应的 CIE 色度坐标（插图：相应的外观及发射实物图）；(c) N-CDs 在 365 nm 紫外光照射不同时间后的紫外 - 可见吸收光谱；(d) 不同激发波长下 N-CDs 的磷光光谱（延迟时间：1 ms）；(e) 对应的 CIE 色度坐标；(f) 295 nm 和 365 nm 激发下 N-CDs 的磷光光谱（延迟时间：1 ms）；(g) 300~380 K 范围内 N-CDs 的温度依赖性磷光光谱；(h) 不同紫外激发下磷光 N-CDs 的图片

图3. 光致变色机制分析 (a) 365 nm 紫外光照射不同时间后 N-CDs 的电子顺磁共振光谱；(b) 光致敏 N-CDs 的紫外 - 可见吸收光谱，以及原始 N-CDs 的荧光和磷光光谱；(c) 光致敏前后 N-CDs 的荧光衰减曲线；(d) 光致敏前后 N-CDs 的磷光衰减曲线；(e) 光致敏 N-CDs 在 600 nm 处的寿命衰减曲线；(f) 原始 N-CDs 和光致敏 N-CDs 在氮气中及空气中放置 12 h 后的荧光光谱；(g) N-CDs 与光致敏 N-CDs 的实物图；(h) 光致敏 N-CDs 在氮气中放置 12 h 后的实物图；(i) 光致敏 N-CDs 在空气中放置 12 h 后的实物图

图4. 激发依赖室温磷光机制分析。(a) 监测波长为 526 nm 和 624 nm 时 N-CDs 的光致发光激发光谱；(b) N-CDs 在 526 nm 和 624 nm 处的余辉衰减曲线；(c) 不同 pH 值下 N-CDs 的荧光光谱；(d) 1,4,5,8 - 萘四甲酸（1,4,5,8-NA）单重激发态和三重激发态的含时密度泛函理论（TD-DFT）计算能级；(e) N-CDs 光致变色和激发依赖性室温磷光（ED-RTP）的推测机理

图5.多维防伪与动态信息加密应用 (a) N-CDs@PVA 薄膜经 365 nm 紫外光照射后的颜色变化；(b) 基于 N-CDs@PVA 薄膜的防伪应用示意图；(c) 利用 N-CDs@PVA 和罗丹明 B@PVA（RhB@PVA）薄膜进行动态信息加密的示意图

综上所述，本研究通过简单高效的一步微波合成策略，构建了兼具光致变色和激发依赖性室温磷光的氮掺杂碳点。该体系不仅实现了从蓝紫色到红色的光致变色调控，还在不同激发波长下产生绿色和橙红色室温磷光。这些独特的双模式发光特性主要归因于原位生成的萘酰亚胺自由基物种，以及碳点的碳核态和表面态双发射中心。得益于光致变色与激发依赖性室温磷光的协同特性，这些复合材料可实现多维信息编码与解密，利用荧光、磷光及其动态转换实现多级防伪和信息加密。这种多模式、可调控的光响应行为为碳点基智能发光材料、多维防伪和信息加密提供了新的设计思路。

论文信息

Light-Responsive Carbon Dots with Photochromism and Excitation-Dependent Room Temperature Phosphorescence

Xiaoqi Fang, Yuan Li, Junjie Cui, Zhenye Xu, Zifei Ge, Chengwei Hu, Khurram Abbas, Hong Bi

Advanced Physics Research

DOI:10.1002/apxr.202500226

原文链接：

https://doi.org/10.1002/apxr.202500226

期刊介绍

Advanced Physics Research 是 Wiley Advanced 系列旗下高影响力开放获取（OA）期刊，于 2022 年正式发表首期学术论文。期刊致力于刊载应用物理与基础物理领域的高质量实验与理论研究成果，涵盖凝聚态物理、量子科学、高能物理、天体物理等多个前沿研究方向。