[发明专利]产生二次谐波的掺杂石墨烯量子点及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及光电材料领域，具体提供一种掺杂石墨烯量子点及其制备方法及应用，该硼掺杂石墨烯量子点在激发光激发下产生二次谐波光。掺杂石墨烯量子点具备产生二次谐波光的特性，这种非线性光学信号为多光子光学成像提供一种全新的信号探针模式，可以替代现有的无机纳米晶体二次谐波产生材料，并呈现良好的生物相容性；与现有的光致发光(PL)效应产生的荧光相比，所述掺杂石墨烯量子点产生的二次谐波光克服了光饱和、光漂白和光闪烁的缺陷,成像精度高,并允许长期、连续、极其快速和灵敏的探测。

技术领域

本发明涉及光电材料领域，具体涉及一种掺杂石墨烯量子点及其制备方法和应用。

背景技术

基于非线性光学信号的多光子显微成像(Multiphoton Microscopic Imaging)是目前唯一为细胞识别、分子探测以及分子水平研究生物过程的机理和动态,特别是为活体细胞和组织研究提供亚微米级分辨精度、3D、非侵入式成像的先进光学技术手段。双光子激发荧光(Two-Photon Excited Fluorescence，TPEF)及二次谐波(Second-HarmonicGeneration,SHG)非线性光学信号是其中首要利用的成像信号来源。

荧光是当前被生物学广泛利用的工具。荧光作为信号探针被长期利用来观察细胞生物的各个层次，从分子、到组织直至完整的器官。荧光显微成像曾极度地改变了细胞和分子生物的研究。传统的荧光显微成像信号由单光子激发线性物理过程产生，利用共聚焦显微成像系统实现。TPEF成像利用1931年Maria Goppert-Mayer的量子理论，即相同能量的两个光子和一个分子作用，产生相当于具有双倍能量的一个短波长光子的吸收所产生的激发。如果被激发的分子发荧光，它能发射单个荧光光子，效果就如同该分子是被一个高能量的光子激发一样(即单光子激发荧光)。1990年，Denk等首次将TPEF现象应用在活细胞成像中。与传统的基于单光子与物质相互作用的线性荧光共聚焦显微成像相比，TPEF具有如下成像优势：

(a)可实现清晰的光学3D断层。单光子成像的吸收发生在整个聚焦激发光锥范围内，引起整个激发光锥范围内的激发。而TPEF由于依赖于两个光子在焦平面的同时吸收，非聚焦平面发生的概率极小，因此通过物镜聚焦的光在空间上的作用受限于焦点周围，实现自动光学3D断层成像，同时最大程度地降低了焦平面外的光损伤，有利于组织的长时间成像。

(b)成像深度深。对于普遍使用的荧光标记物，多光子吸收多发生在近红外长波长范围内(700-1000nm)。由于采用低能量的长波长激发光源，这使得光在具有强散射特性的生物组织中的穿透深度大大增加(散射随着波长的增加呈四次方衰减)。TPEF在活体组织中的成像深度理论上可达到500微米。由于大多数组织缺乏明显的内源性长波长单光子吸收体，长波长的使用也同样引起组织较小的光致毒性。

(c)具有高的组织横向分辨率(分辨精度为1-2um)，达到亚细胞级分辨精度。

另一方面，相较于传统的有机小分子染料、有机蛋白如绿色荧光蛋白(GFP)，纳米技术的近期发展为生物医学光学成像提供了大量强且具有稳定荧光的纳米材料，如(i)由II/IV和III/V族半导体元素形成的半导体量子点,无机硅纳米粒子，金属纳米粒子,碳纳米粒子，镧系或稀土掺杂上转换纳米粒子等具有尺寸依赖光学和物理化学特性的纳米晶体色团；(ii)具有尺寸依赖光学特性的其它非晶体纳米粒子等。