東南大學(xué)研發(fā)五元環(huán)氮化碳用于研發(fā)新型生物傳感器

近日，東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、江蘇省富碳材料器件工程實(shí)驗(yàn)室張?jiān)〗淌谡n題組報(bào)道了窄帶隙五元環(huán)氮化碳的合成及其近紅外光生物傳感的研究進(jìn)展，相關(guān)成果以“Carbon Nitride of Five-Membered Rings with Low Optical Bandgap for Photoelectrochemical Biosensing”為題在Chem(Cell姊妹刊)在線發(fā)表。

以六元環(huán)或和五元環(huán)為核心連接方式的-C-N-共軛結(jié)構(gòu)是大自然億萬年中自然選擇的結(jié)果，決定了蛋白質(zhì)、核酸等諸多生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能，具有重要的基礎(chǔ)研究價(jià)值。同樣，這些基本組裝方式在化學(xué)領(lǐng)域也推動(dòng)了諸多顛覆性創(chuàng)新，例如分別以五元環(huán)并六元環(huán)和六元環(huán)碳為基本重復(fù)單元的富勒烯和石墨烯，相關(guān)研究曾兩度獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

近年來，石墨態(tài)氮化碳引起人們廣泛的關(guān)注，從分子結(jié)構(gòu)來看，它可以看成是石墨烯骨架中部分C原子以一定的規(guī)律被N原子取代后的產(chǎn)物。由于具有良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性、獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)，近年來被廣泛應(yīng)用于人工樹葉(光合成)等新興領(lǐng)域。在前期的工作中，該團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑地發(fā)現(xiàn)了氮化碳在光電傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，利用氮化碳發(fā)展了針對遺傳物質(zhì)DNA損傷等多種疾病相關(guān)小分子和標(biāo)志物的超高靈敏度光電檢測新方法(Chem. Soc. Rev.2018, 47, 2298)。然而值得注意的是，最常見的g-C3N4以及其它化學(xué)計(jì)量比的氮化碳，如C3N、C2N和C3N5等通常采用六元環(huán)作為基本單元。受限于五元環(huán)氮化碳的不穩(wěn)定性，以五元環(huán)結(jié)構(gòu)為基本單元的氮化碳鮮有實(shí)驗(yàn)報(bào)道。

為了突破主流氮化碳六元環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局限性，近日，東南大學(xué)張?jiān)〗淌趫F(tuán)隊(duì)提出通過金屬配位預(yù)穩(wěn)定的策略，克服了熱聚合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)了五元環(huán)C3N2的成功制備。由于其獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和豐富的懸掛鍵，C3N2的光學(xué)帶隙窄化低至0.81 eV，是氮化碳家族中迄今為止報(bào)導(dǎo)的最窄帶隙。進(jìn)一步借助C3N2突出的近紅外光響應(yīng)能力，利用該材料首次實(shí)現(xiàn)了不透明血液生物樣品中外源性抗氧化劑抗壞血酸的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、定量光電化學(xué)檢測。

本工作的第一作者為東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院的博士生楊宏，通訊作者為張?jiān)〗淌?，東南大學(xué)為該工作的唯一完成單位。該工作得到了國家自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的資助。