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武大吴伟教授课题组 Small综述: 多重刺激响应的多色碳点及其信息编码与防伪应用

时间：2023-02-09 来源： 浏览：

武大吴伟教授课题组 Small综述: 多重刺激响应的多色碳点及其信息编码与防伪应用

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近日，武汉大学图像传播与印刷包装研究中心吴伟教授课题组在《 Small 》期刊发表了题为 “Multiple Stimuli-Response Polychromatic Carbon Dots for Advanced Information Encryption and Safety” 的综述论文（ DOI ： 10.1002/smll.202206709 ）。该论文对碳点的合成，荧光、室温磷光、热激活衰减荧光与上转换发光光学性质调控，以及基于碳点光学性质与多重刺激下的信息编码与防伪应用进行了概括。聚焦于碳点光学性质调控及其在信息编码与防伪应用领域的应用，重点阐述了碳核组成、颗粒尺寸、官能团和溶剂对光学性质的影响，并对基于荧光、室温磷光、热激活衰减荧光、上转换发光以及额外刺激条件（如温度、湿度等）响应下的信息编码与防伪进展进行了综述。最后，论文对碳点发光性质的设计和未来信息编码与防伪应用的发展方向提出了新见解。

本文要点：
碳点是由碳核和丰富的表面官能团构成，其荧光、室温磷光、热激活衰减荧光和上转换发光性能与碳点的组成和结构息息相关，充分了解多种发光类型的发光过程及影响因素对于调控碳点发光性质具有重要指导意义。依次地，基态与单重态之间的能级间距对荧光发光颜色的控制具有直接的影响，调控碳核组成、颗粒尺寸、表面官能团均能实现对荧光发光颜色的调控；室温磷光发射依赖于单重态与三重态之间的能量迁移过程（ Intersystem crossing process ， ISC ）以及电子从三重态跃迁回到基态过程，提高能量迁移效率和降低能量损失是实现优异室温磷光的基本条件。热激活衰减荧光的实现取决于热激活条件下三重态与单重态之间的反向能量迁移过程（ Reverse intersystem crossing process ， RISC ），三重态与单重态之间小的能级间距有利于热激子的跃迁，是实现热激活衰减荧光的关键；碳点中的上转换发光具有两种形式，包括多光子过程和热激活下的单光子过程。上转换发光过程是在近红外光激发下电子跃迁至高能级激发态并跃迁回到基态的过程。提高碳点在近红外吸收和能量迁移效率是实现优异上转换发光的基础。
图 1 碳点的组成和多种发光类型的机理示意图
图 2 碳核组成、颗粒尺寸、以及官能团对碳点荧光的影响
碳点因具有多种发光类型、可调发光颜色、低毒性、高生物相容性、对外界刺激条件（如温度、湿度、 pH 等）响应灵敏，有利于构建具有高防伪强度的信息编码与防伪技术，是一种极具应用前景的光学防伪材料。通过控制激发条件实现多色荧光、室温磷光、热激活衰减荧光和上转换发光输出赋予信息编码与防伪技术更高的防伪强度。基于时间分辨的动态信息编码与防伪技术和结合额外刺激条件（如温度、湿度、 pH 等）激发的光学特征变化均有利于实现高防伪强度的信息编码与防伪技术的便携式防伪检测。
图 3 （ a ）蓝色荧光和绿色室温磷光在滤纸上的图案，（ b ） 254 nm 和 365 nm 协同下的防伪图案，（ c ）多色荧光和室温磷光在紫外激发下的防伪图案，（ d ） 254 nm 、 365 nm 和 450 nm 激发下的多色荧光和室温磷光的防伪图案，（ e ） 310 nm 、 365 nm 、 410 nm 和 435 nm 激发后多色室温磷光防伪图案，（ f ） 365 nm 激发在不用时间分辨下的防伪图案，（ g ） 365 nm 、 395 nm 和 425 nm 激发在时间分辨下的防伪图案
图 4 （ a ） 365 nm 激发荧光、室温磷光和 800 nm 飞秒激光器激发上转换发光协同下的防伪图案，（ b ） 365 nm 激发荧光、室温磷光和 980 nm 激发上转换发光集成下的防伪图案，（ c ）紫外和 980 nm 激发下室温磷光实物图和防伪图案
图 5 （ a ）温度和 pH 分别与 300 nm 、 365 nm 和 400 nm 激发光激发下多色防伪图案，（ b ） H 2 C 2 O 4 和 NaHCO 3 分别加密与解码的可控防伪图案，（ c ）水分与 365 nm 刺激下的防伪图案，（ d ） 365 nm 激发下水分与四氢呋喃（ THF ）协同的防伪图案，（ e ）紫外激发和不同观察角度下的防伪图案，（ f ） pH 、温度、观察角度、紫外光协同刺激下的防伪图案

作者简介

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吴伟教授，武汉大学三级教授、博士生导师，青年拔尖人才入选者。主要研究方向为可印刷功能材料，印刷电子学与智能包装。曾荣获第十五届毕昇印刷技术奖， STAM Best Paper Award ， Hong Kong Scholars Award 等学术荣誉。课题组长期致力于可印刷功能材料和印刷电子应用研究，取得了系列研究成果，在 Applied Physics Reviews （ IF=19.527 ）、 Advanced Energy Materials （ IF=29.698 ）、 Advanced Functional Materials （ IF=19.924 ）、 Small （ IF=15.153 ）、 Materials Horizons （ IF=15.717 ）、 Chemical Engineering Journal （ IF=16.744 ）、 Journal of Materials Chemistry A （ IF=14.511 ）、 Advanced Optical Materials （ IF=10.05 ）等材料和工程领域的知名期刊发表论文 100 余篇，多篇工作入选 ESI 高被引。研究工作围绕 “ 先进功能印刷改进传统印刷技术 ” 理念，攻克了部分功能材料油墨化，大面积印刷电子制造工艺，印刷电子和智能包装应用等系列技术难题，在印刷图文信息防伪技术和印刷电子方面实现了若干关键技术积累。

原文链接

https://doi.org/10.1002/smll.202206709

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