东南大学研发五元环氮化碳用于研发新型生物传感器

近日，东南大学化学化工学院、江苏省富碳材料器件工程实验室张袁健教授课题组报道了窄带隙五元环氮化碳的合成及其近红外光生物传感的研究进展，相关成果以“Carbon Nitride of Five-Membered Rings with Low Optical Bandgap for Photoelectrochemical Biosensing”为题在Chem(Cell姊妹刊)在线发表。

以六元环或和五元环为核心连接方式的-C-N-共轭结构是大自然亿万年中自然选择的结果，决定了蛋白质、核酸等诸多生物大分子的结构和功能，具有重要的基础研究价值。同样，这些基本组装方式在化学领域也推动了诸多颠覆性创新，例如分别以五元环并六元环和六元环碳为基本重复单元的富勒烯和石墨烯，相关研究曾两度获得诺贝尔奖。

近年来，石墨态氮化碳引起人们广泛的关注，从分子结构来看，它可以看成是石墨烯骨架中部分C原子以一定的规律被N原子取代后的产物。由于具有良好的物理化学稳定性、独特的化学结构和电子能带结构，近年来被广泛应用于人工树叶(光合成)等新兴领域。在前期的工作中，该团队另辟蹊径地发现了氮化碳在光电传感领域具有广阔的应用前景，利用氮化碳发展了针对遗传物质DNA损伤等多种疾病相关小分子和标志物的超高灵敏度光电检测新方法(Chem. Soc. Rev.2018, 47, 2298)。然而值得注意的是，最常见的g-C3N4以及其它化学计量比的氮化碳，如C3N、C2N和C3N5等通常采用六元环作为基本单元。受限于五元环氮化碳的不稳定性，以五元环结构为基本单元的氮化碳鲜有实验报道。

为了突破主流氮化碳六元环拓扑结构的局限性，近日，东南大学张袁健教授团队提出通过金属配位预稳定的策略，克服了热聚合反应的动力学和热力学挑战，实现了五元环C3N2的成功制备。由于其独特的拓扑结构和丰富的悬挂键，C3N2的光学带隙窄化低至0.81 eV，是氮化碳家族中迄今为止报导的最窄带隙。进一步借助C3N2突出的近红外光响应能力，利用该材料首次实现了不透明血液生物样品中外源性抗氧化剂抗坏血酸的实时、动态、定量光电化学检测。

本工作的第一作者为东南大学化学化工学院的博士生杨宏，通讯作者为张袁健教授，东南大学为该工作的唯一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。