基于聚集诱导发射增强的碳点纳米荧光探针实现非生物胁迫下植物乙烯动态变化的超灵敏快速成像

本研究创新性地开发了一种基于1-乙烯基萘和Grubbs催化剂构建的智能开启型碳点纳米荧光探针（NE-CDs），通过聚集诱导发射增强（AIEE）机制实现对植物激素乙烯的超灵敏检测（检测限低至0.036 ppm），成功应用于盐胁迫和干旱胁迫下拟南芥叶片内源乙烯释放模式的快速检测与动态成像，为研究植物应激响应机制提供了突破性技术手段。

　　

亮点

通过合理的碳点前体设计最大化聚集诱导发射增强（AIEE）效应

创新性采用1-乙烯基萘构建具有超大π共轭体系的纳米探针

实现0.036 ppm级超灵敏乙烯检测，灵敏度比现有技术提升一个数量级

首次实现植物在盐/干旱胁迫下内源乙烯释放的时空动态可视化

碳点的设计与优化

最初我们使用含有末端烯烃的简单化合物苯乙烯作为碳源，与第一代Grubbs催化剂反应成功合成"前体1"，随后通过溶剂热法将其转化为碳点（CDs）。初步测试显示这些碳点在乙烯气体存在下荧光信号显著增强，但其发射波长位于蓝色区域（图S1），这可能与植物组织的自发荧光背景发生干扰。为优化性能，我们引入具有更大π共轭体系的1-乙烯基萘替代苯乙烯，显著增强了碳点间的π-π堆叠效应。通过系统优化反应参数（包括前体比例、反应温度和持续时间），最终获得的NE-CDs在乙烯触发下表现出显著的红色荧光增强（图1a），这种波长红移现象有利于避免生物样本的背景荧光干扰。

表征结果

透射电子显微镜（TEM）显示NE-CDs呈单分散球形结构，平均粒径为2.3±0.4 nm（图1b）。高分辨率TEM显示清晰的晶格条纹，晶面间距为0.21 nm，对应石墨碳的（100）晶面（图1c）。X射线光电子能谱（XPS）证实碳点表面存在C=C/C-C（284.8 eV）、C-O（286.2 eV）和C=O（288.1 eV）等官能团（图1d）。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）在1635 cm^-1处显示强吸收峰，对应C=C伸缩振动，证实芳香结构的成功保留（图1e）。紫外-可见吸收光谱显示在275 nm和335 nm处存在特征吸收峰，分别归因于π-π跃迁和n-π跃迁（图1f）。最重要的是，NE-CDs在405 nm激发下发射出强烈的橙红色荧光（610 nm），其绝对量子产率高达35.2%，远超传统碳点材料（图1g）。

传感机制研究

通过动态光散射（DLS）和zeta电位分析发现，乙烯暴露后NE-CDs的流体动力学直径从3.1 nm增加至85.6 nm（图2a），同时zeta电位从-18.7 mV变为-5.3 mV（图2b），表明乙烯诱导了纳米颗粒的聚集。荧光寿命测试显示聚集态寿命（τ₂）从1.78 ns延长至3.25 ns（图2c），证实聚集有效抑制了分子内旋转（RIR）并减少了非辐射跃迁。XPS分析进一步表明Grubbs催化剂中的钌金属中心与乙烯发生特异性配位，形成Ru-CH=CH₂中间体（图2d），这种配位作用破坏了碳点表面的亲水-疏水平衡，最终触发AIEE效应。

分析性能评估

NE-CDs对乙烯表现出卓越的响应特性：在0-10 ppm浓度范围内呈现良好的线性关系（R²=0.997），检测限低至36 ppb（图3a）。对常见干扰物质（包括CO₂、O₂、水蒸气和植物挥发性有机物）表现出优异的选择性（图3b）。在连续激发测试中保持超过95%的荧光强度（图3c），且在4°C储存60天后性能无显著衰减（图3d），证明其具有出色的光稳定性和长期稳定性。

植物样品成像应用

将离体拟南芥叶片浸泡在NE-CDs分散液中，通过共聚焦显微镜观察到盐胁迫（150 mM NaCl）和干旱胁迫（20% PEG）处理1小时后叶片边缘出现强烈的荧光信号（图4a-c）。定量分析显示胁迫组的荧光强度较对照组增强4.8倍（图4d），且信号增强程度与胁迫强度呈正相关。时间序列成像成功捕获到乙烯信号的时空传播模式：从叶脉向叶肉组织扩散，最终在气孔周围形成热点（图4e），这种动态变化模式与已知的乙烯信号传导途径高度吻合。

结论

我们成功设计合成了一种新型"开启"式荧光碳点纳米探针（NE-CDs），通过独特的AIEE机制实现对乙烯气体的超高灵敏度检测（检测限=0.036 ppm），并展现出优异的选择性和稳定性。该探针成功应用于离体植物叶片中胁迫诱导乙烯产生的原位成像。尽管本研究为植物科学研究提供了有价值的新工具，我们意识到其存在局限性：离体叶片模型不能完全反映完整植物的生理状态，且目前尚未实现根部组织的三维成像。未来工作将聚焦于开发活体植物实时监测技术，并探索该探针在农业精准管理中的应用潜力。