Controlled C—N configurations, i.e., pyrrolic-N, pyridinic-N, and graphitic-N, are promising strategies to tailor the carbon dots’ (CDs) optical properties into the first near infrared (NIR) window (650–900 nm), a responsive range for biomedical application. However, a deep understanding of the role of the C—N configuration in the CDs’ properties is still challenging and thought-provoking owing to their complex structure. Here, an underlying pyrrolic-N concentration and position effect on the pyrrolic-N-rich CDs’ absorption was comprehensively elucidated based on the integrated experimental and computational studies. The as-synthesized pyrrolic-N-rich CDs exhibit a first NIR window absorption centered at 650 nm with high photothermal conversion. Pyrrolic-N concentrations from 1.4% to 11.3% and positions (edge and mid-site) were systematically investigated. A mid-site pyrrolic-N was subsequently generated after the pyrrolic-N concentration more than 10%. Edge-site pyrrolic-N induces a frontier orbital hybridization, reducing bandgap energy, while mid-site pyrrolic-N plays a critical role in inducing a first NIR window absorption owing to their high charge transfer. Also, pyrrolic-N-rich CDs inherit a bowl-like topological feature, elevating the CDs’ layer thickness as much as 0.71 nm. This study shed light on the design and optimization of pyrrolic-N on CDs for the first NIR window responsive materials in any biomedical application.

受控的 C-N 配置，即吡咯-N、吡啶-N 和石墨-N，是将碳点 (CD) 光学特性定制到第一近红外 (NIR) 窗口（650–900 nm）中的有前途的策略，生物医学应用的响应范围。然而，由于其复杂的结构，深入了解 C-N 构型在 CD 特性中的作用仍然具有挑战性和发人深省。在这里，基于综合实验和计算研究，全面阐明了潜在的吡咯-N 浓度和位置对富含吡咯-N 的 CDs 吸收的影响。合成后的富含吡咯氮的 CD 表现出以 650 nm 为中心的第一 NIR 窗口吸收，具有高光热转换。吡咯-N 浓度从 1.4% 到 11。系统调查了 3% 和位置（边缘和中间站点）。在吡咯-N 浓度超过 10% 后，随后生成中间位点吡咯-N。边缘位点吡咯-N 诱导前沿轨道杂化，降低带隙能量，而中位点吡咯-N 由于其高电荷转移而在诱导第一 NIR 窗口吸收方面起着关键作用。此外，富含吡咯 N 的 CD 继承了碗状拓扑特征，将 CD 的层厚度提高了 0.71 nm。这项研究阐明了 CD 上吡咯-N 的设计和优化，用于任何生物医学应用中的第一个 NIR 窗口响应材料。而中位吡咯-N 由于其高电荷转移而在诱导第一 NIR 窗口吸收方面起着关键作用。此外，富含吡咯 N 的 CD 继承了碗状拓扑特征，将 CD 的层厚度提高了 0.71 nm。这项研究阐明了 CD 上吡咯-N 的设计和优化，用于任何生物医学应用中的第一个 NIR 窗口响应材料。而中位吡咯-N 由于其高电荷转移而在诱导第一 NIR 窗口吸收方面起着关键作用。此外，富含吡咯 N 的 CD 继承了碗状拓扑特征，将 CD 的层厚度提高了 0.71 nm。这项研究阐明了 CD 上吡咯-N 的设计和优化，用于任何生物医学应用中的第一个 NIR 窗口响应材料。