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纳米粒子的工程化作为纳米材料的研究热点之一，以粒子的性能、表面工程及功能化修饰为目标，采用官能团原位生长、杂化共价偶联等手段对纳米材料的结构和性能进行设计。特别是对于胶体光子晶体材料赋能纳米效应的开发，以单分散胶体粒子的工程化设计为基础，可将其与光、电等功能性纳米材料进行精确构筑，调控其组装结构并丰富其光电功能特性，拓宽胶体光子晶体的应用领域。
碳量子点(carbon dots, CDs)是一类具有显著荧光性能的零维纳米材料，其准球型结构、低于10 nm的尺度及表面丰富的活性基团，可保障与亚微米单分散胶体粒子的有效结合，实现量子限域效应与光子带隙的耦合，以使胶体光子晶体具有双光学性能。然而，目前提出的方法往往依赖于静电相互作用、氢键、范德华力等弱相互作用来进行碳点对胶体光子晶体的简单复配，严重影响材料的结构和性能稳定性。因此，迫切需要一种高效的共价耦合粒子工程策略来实现荧光胶体光子晶体的双光学材料构筑。
针对上述科学问题，南京工业大学化工学院、材料化学工程国家重点实验室陈苏教授、李晴副教授团队，首次采用一步水热策略合成了一种CDs原位富集SiO2 (CDs@SiO2)荧光单分散胶体粒子，原位实现了CDs和SiO2胶体粒子的纳-微跨尺度共价耦合的粒子工程策略。基于SiO2粒子与CDs之间的稳定共价耦合及光子晶体光学特性与CDs荧光性能的协同增效，实现了具有绚丽结构色和增强荧光的双光学性能胶体光子晶体微球的构筑，并由此开发出用于兽药浓度检测的双光学信号检测芯片。本工作的主要创新性如下：1）基于SiO2粒子与CDs前驱体的原位反应，开发了一种高效的粒子工程化方法；2）凭借SiO2粒子的电磁共振效应，CDs的荧光性能得到显著增强；3）CDs@SiO2粒子提供氢键驱动的组装作用力保证了高质量胶体光子晶体的大规模制备，并有效抑制咖啡环效应；同时，分子动力学模拟证实了氢键驱动组装机理；4）液滴微流控技术实现了双光学性能CDs@SiO2胶体光子晶体微球的连续可控制备（微流控设备由南京捷纳思新材料有限公司提供），为双光学信号微流控检测芯片的开发奠定基础，从而完成兽药浓度的高精度在线检测。本工作提出的原位共价耦合策略为粒子工程化开辟了一条创新性道路，并为高性能功能化胶体光子晶体材料的开发提供方法学指导。该研究成果于近日发表在化学工程领域的TOP级期刊《Chemical Engineering Journal》上（影响因子：16.744）。“Engineering particles for sensing applications via in-situ synthesizing Carbon Dots@SiO2 photonic crystals”(Chemical Engineering Journal 465 (2023) 142851)。南京工业大学博士研究生于晓晴为第一作者。南京工业大学李晴、张遵民、陈苏教授为通讯作者。
该课题得到了国家自然科学重点基金、江苏省重点学科建设项目、材料化学工程国家重点实验室等基金和平台的资助和支持。
图1 (a) 原位水热策略合成CDs@SiO2粒子的示意图；(b) CDs@SiO2粒子的荧光增强机制；(c) 普通SiO2粒子与CDs@SiO2粒子的组装机理示意图
图2 双光学信号胶体光子晶体微球的光学图片
图3 采用液滴微流控技术构筑双光学信号CDs@SiO2胶体光子晶体微球的示意图，及其在用于兽药浓度检测的微流控芯片开发中的应用
图4 液滴微流控装置（南京捷纳思新材料有限公司提供）
