Molecular Engineering Enables Bright Carbon Dots for Super‐Resolution Fluorescence Imaging and In Vivo Optogenetics

材料科学 量子产额 光致发光 荧光 光遗传学 光化学 荧光寿命成像显微镜 极化(电化学) 量子点 纳米技术 光电子学 光学 化学 物理化学 物理 神经科学 生物
作者
Zhichao Liu,Jiajia Li,Chong Zhao,Zhonghui Zhang,Peicong Wu,Jinquan Chen,Xiao He,Sanjun Zhang,Yang Tian
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202410786
摘要

Abstract Improving the fluorescence quantum yield (QY) of carbon dots (CDs) is essential for expanding their applications. Understanding the photoluminescence mechanism of CDs can provide valuable insights for QY improvement. In this study, it is demonstrated that polarization facilitated the surface state emission of CDs through a single decay pathway, while hydrogen bonding (HB) is identified as a factor that hindered the surface state emission of CDs through non‐radiative decay. Following an in‐depth evaluation of these mechanisms, the QY of CDs is markedly enhanced by engineering molecules onto their surfaces. This strategy not only eliminated HB but also promoted polarization‐induced charge transfer. Notably, the QY of the yellow‐emitting CD is elevated to 98.1%. Capitalizing on their long‐term stability, excellent water solubility, two‐photon excitation capacity, and non‐toxicity, the engineered CDs are successfully applied in dual‐color super‐resolution fluorescence imaging in living cells, two‐photon imaging of zebrafish, and optogenetic regulation in the deep brain of freely‐moving animals.
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