金属纳米团簇是是一种新型无机纳米材料，它是指在特定的配体分子(如硫醇、高分子聚合物、蛋白质)保护下形成的由几个到上百个金原子组成的分子级聚集体。其粒径一般小于3nm，介于单个金原子和大颗粒金纳米粒子之间。
近年来，金属纳米团簇由于其高光学稳定性和良好的发光性能在生物医学，环境科学等领域展现出广阔的应用前景。近红外发射的金纳米团簇在生物领域具有潜在的应用价值，但这些团簇的近红外发光量子产率(PLQY)通常较低(<10%)。
中国科学技术大学教授周蒙课题组与清华大学教授王泉明团队合作，在溶液中实现了金属团簇>99%量子产率的近红外发光，并揭示了其三重态发光机制，解决了这一方向的难题。研究通过铜掺杂合成Au16Cu6团簇，发现其在室温无氧溶液中表现出>99%的PLQY。近100%PLQY团簇的制备，有助于进一步开发高近红外发光量子产率的金属团簇。
该研究合成了Au22(tBuPhC≡C)18(Au22)及其铜掺杂对应团簇Au16Cu6(tBuPhC≡C)18(Au16Cu6)，并探讨了其光物理性质。单晶X射线衍射结果分析表明，Au22和Au16Cu6具有相似的结构。研究对这两个团簇进行基本的发光性质表征发现，Au22的发光峰位于690nm，Au16Cu6的发光峰位于720nm。研究在空气条件下利用绝对法测得Au22和Au16Cu6的PLQY分别为9%和95%，在无氧溶液中通过绝对法和相对法测得Au16Cu6的PLQY均达到100%。时间相关单光子计数测得Au22和Au16Cu6的发光寿命分别为485ns和1.64μs。
该工作通过瞬态吸收光谱进一步研究两种团簇的激发态动力学，发现两种团簇的发光态均来自于三重激发态(T1)，并在飞秒瞬态吸收光谱中观察到不同的动力学过程。在380nm激发下，Au22表现出148 ps的上升过程，而Au16Cu6表现出0.5ps的快速下降过程。研究通过三重态敏化实验证明，这两个过程可归属于S1→T1的系间窜跃(ISC)。铜掺杂使得Au16Cu6具有更小的∆EST，显著加快了其ISC的速率，因此Au16Cu6展现出接近100%的PLQY。
相关研究成果于近日以Near-unity NIR phosphorescent quantum yield from a room-temperature solvated metal nanocluster为题，发表在《科学》(Science)上。
参考来源： 中国科学技术大学
