近日，東南大學化學化工學院、江蘇省富碳材料器件工程實驗室張袁健教授課題組報道了窄帶隙五元環氮化碳的合成及其近紅外光生物傳感的研究進展，相關成果以“Carbon Nitride of Five-Membered Rings with Low Optical Bandgap for Photoelectrochemical Biosensing”為題在Chem(Cell姊妹刊)在線發表。

以六元環或和五元環為核心連接方式的-C-N-共軛結構是大自然億萬年中自然選擇的結果，決定了蛋白質、核酸等諸多生物大分子的結構和功能，具有重要的基礎研究價值。同樣，這些基本組裝方式在化學領域也推動了諸多顛覆性創新，例如分別以五元環并六元環和六元環碳為基本重復單元的富勒烯和石墨烯，相關研究曾兩度獲得諾貝爾獎。

近年來，石墨態氮化碳引起人們廣泛的關注，從分子結構來看，它可以看成是石墨烯骨架中部分C原子以一定的規律被N原子取代后的產物。由于具有良好的物理化學穩定性、獨特的化學結構和電子能帶結構，近年來被廣泛應用于人工樹葉(光合成)等新興領域。在前期的工作中，該團隊另辟蹊徑地發現了氮化碳在光電傳感領域具有廣闊的應用前景，利用氮化碳發展了針對遺傳物質DNA損傷等多種疾病相關小分子和標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，常見的g-C3N4以及其它化學計量比的氮化碳，如C3N、C2N和C3N5等通常采用六元環作為基本單元。受限于五元環氮化碳的不穩定性，以五元環結構為基本單元的氮化碳鮮有實驗報道。

為了突破主流氮化碳六元環拓撲結構的局限性，近日，東南大學張袁健教授團隊提出通過金屬配位預穩定的策略，克服了熱聚合反應的動力學和熱力學挑戰，實現了五元環C3N2的成功制備。由于其獨特的拓撲結構和豐富的懸掛鍵，C3N2的光學帶隙窄化低至0.81 eV，是氮化碳家族中迄今為止報導的窄帶隙。進一步借助C3N2突出的近紅外光響應能力，利用該材料實現了不透明血液生物樣品中外源性抗氧化劑抗壞血酸的實時、動態、定量光電化學檢測。

本工作的第一作者為東南大學化學化工學院的博士生楊宏，通訊作者為張袁健教授，東南大學為該工作的完成單位。該工作得到了國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費的資助。

來源：東南大學

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