室温磷光材料具有长寿命、大Stokes位移和高信噪比等优点，在生物成像、化学传感和光电器件等领域具有重要的应用价值。然而目前的磷光材料主要局限于金属配位化合物，这类材料通常价格昂贵、毒性大、不稳定，限制了它们的实际应用。
针对上述科学问题和实际应用需求，清华大学摩擦学国家重点实验室周明教授课题组围绕碳量子点磷光机理开展研究。2016年，周明课题组首次提出了C=N碳量子点磷光发射中心，扩展了碳量子点磷光发射机理。通过对碳量子点表面态调控和研究碳量子点与复合基质的相互作用，实现了超长寿命和高量子产率的磷光发射，其中寿命长达1.06 s，量子产率高达7%，均为当时碳基材料最高的纪录。同时团队利用材料的荧光/磷光双发射特性，将它们应用到白光LED和双重防伪领域。
图1 碳量子点磷光发射机理。
然而，现有的磷光材料在水下通常遭受严重的磷光猝灭，极大限制了它们在水相下相关应用。水下磷光猝灭主要归因于水分子强烈的氢键破坏能力，水分子具有较强的极性，能够轻易的破坏发光分子与基质的氢键作用，导致非辐射跃迁增强。此外，水中的溶解氧也是造成磷光猝灭的原因之一。针对这一问题，周明课题组提出了利用结合水构建氢键网络结构，抑制非辐射跃迁，增强磷光发射这一普适性机理。基于此机理，首次实现了碳量子点材料的水下磷光发射，磷光寿命可达0.67 s。与材料的干燥态相比，水的存在不仅没有造成磷光的猝灭，还显著的增强了磷光发射（高达3倍）。此外，利用水下磷光发射特性，首次实现了碳基材料对Fe3+的长寿命磷光检测。这项研究为磷光材料水相下广泛应用奠定了基础。
图2 碳量子点、结合水和基质的氢键网络结构（左）；水下碳基复合材料磷光发射（右）。
该成果于2018年2月在国际著名期刊Nature Communications在线发表（Nat. Commun., 2018, 9(1): 734）。
文章链接: https://www.nature.com/articles/s41467-018-03144-9
