生长素源碳点在癌症生物成像与小麦种子纳米引发中的双重应用研究

《Journal of Biological Engineering》：Bioimaging application and growth-promoting behavior of Auxin-derived carbon dots on cancer cell and seed performance

本研究针对传统荧光探针生物相容性差和植物生长调节剂效率低的问题，通过一步水热法合成生长素衍生碳点（Aux-CDs）。该材料在10μg/mL浓度下对4T1癌细胞保持低毒性，并成功实现细胞荧光成像；同时通过纳米引发技术显著提升小麦种子发芽率及性能指数。该研究为开发兼具生物成像和作物促生功能的多功能纳米材料提供了新策略。

　　

在生物医学和农业研究的交叉领域，科学家们一直在寻找能够同时满足生物成像需求和植物生长调控的多功能纳米材料。传统荧光探针存在光稳定性差、生物相容性低等问题，而植物生长调节剂则面临效率不高、针对性弱的挑战。正是在这样的背景下，Ghasem Noorkhajavi等研究人员创新性地利用植物激素生长素（Auxin）作为前体，开发出一种具有双重功能的碳点材料，为解决这些难题提供了新思路。

这项发表于《Journal of Biological Engineering》的研究，首次采用一步水热法合成了生长素衍生碳点（Aux-CDs）。研究人员通过优化合成参数，成功制备出具有高量子产率和良好生物相容性的纳米材料，并系统评估了其在癌症细胞成像和小麦种子萌发促进方面的应用潜力。

关键技术方法包括：通过200°C水热反应3小时合成Aux-CDs；使用透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）表征纳米颗粒尺寸；采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析表面官能团；通过MTT法评估4T1细胞毒性；利用纳米引发技术处理两个小麦品种（Drum和Ehsan）种子。

合成与表征

研究人员通过一步水热法成功合成Aux-CDs，透射电子显微镜显示其尺寸约为10纳米，动态光散射分析表明颗粒分布均匀。zeta电位测量显示表面电荷为-37.8毫伏，说明材料具有良好的分散稳定性。量子产率达到43%，表明其具有优异的荧光性能。

傅里叶变换红外光谱分析显示，Aux-CDs保留了部分生长素的特征官能团，但在1698 cm^-1处的羧基C=O伸缩振动峰位移至1588 cm^-1，表明生长素在碳化过程中发生了结构重组。X射线衍射图谱显示材料呈无定形结构，在24°处出现特征宽峰，对应0.36纳米的晶格间距。

光学和光致发光特性

Aux-CDs在370纳米波长处显示最强激发峰，在480纳米处呈现最大发射峰，属于蓝光发射范围。研究人员观察到随着激发波长从320纳米增加到380纳米，发射峰出现红移现象，这种激发依赖性发射行为与碳点表面态能级分布和官能团组成密切相关。

光稳定性测试表明，Aux-CDs在连续紫外照射2小时后仍能保持84.5%的初始荧光强度，显示出优异的抗光漂白能力，这为其在长期生物成像中的应用奠定了基础。

癌细胞成像和细胞毒性

在生物成像应用方面，研究人员选用4T1小鼠乳腺癌细胞作为模型，评估Aux-CDs的成像效果和生物安全性。荧光显微镜观察显示，经过10微克/毫升Aux-CDs处理4小时后，癌细胞内部出现明显的荧光积累，表明碳点成功实现了细胞内核定位。

MTT法细胞毒性实验显示，在1-10微克/毫升浓度范围内，Aux-CDs对4T1细胞表现出较低的细胞毒性，细胞存活率均保持在安全范围内。这种良好的生物相容性使得Aux-CDs在癌症诊断成像领域具有广阔的应用前景。

生长促进行为

在农业应用方面，研究人员采用纳米引发技术，研究Aux-CDs对小麦种子萌发和幼苗生长的影响。实验选用Drum和Ehsan两个小麦品种，分别用1微克/毫升和10微克/毫升浓度的Aux-CDs溶液进行种子处理。

研究结果显示，低浓度（1微克/毫升）的Aux-CDs处理对Drum品种的小麦种子表现出显著的促进效果，其根长和发芽率较对照组明显提高。而在Ehsan品种中，虽然各生长参数均有数值上的提升，但未达到统计学显著性。值得注意的是，高浓度（10微克/毫升）处理反而抑制了种子的生长发育，表现出剂量依赖性效应。

紫外荧光成像显示，经过Aux-CDs处理的幼苗根部在365纳米紫外光照射下发出强烈蓝色荧光，证实碳点成功被植物吸收并积累在生长活跃部位。这一发现为研究纳米材料在植物体内的运输和分布提供了直观证据。

基于生长素功能基团在碳点表面的保留，研究人员提出了Aux-CDs可能通过模拟天然生长素的作用机制来促进植物生长。理论模型表明，Aux-CDs可能通过激活质子泵、酸化质外体空间以及促进扩张蛋白介导的细胞壁松弛等过程，类似天然生长素的酸生长理论机制。

研究结论与意义

本研究首次成功利用植物激素生长素作为碳源，通过绿色环保的一步水热法合成出具有双重功能的碳点材料。Aux-CDs不仅具备优异的光学性能和生物相容性，能够在癌症细胞成像中发挥作用，还表现出显著的植物生长促进活性。

在生物医学领域，Aux-CDs的低细胞毒性和高效细胞内核定位特性，使其成为潜在的肿瘤诊断成像剂。在农业领域，其通过纳米引发技术增强种子萌发和幼苗生长的能力，为作物增产提供了新思路。特别是材料表现出的基因型特异性效应，强调了未来应用中需要考虑作物品种差异的重要性。

该研究的创新点在于将植物激素的生物学功能与碳点的纳米特性巧妙结合，开发出跨越生物医学和农业领域的多功能材料。然而，研究人员也指出，Aux-CDs的确切作用机制，特别是其在植物体内的信号转导途径，仍需通过基因表达分析和蛋白质组学等深入研究来阐明。

这项研究为开发基于生物活性分子的多功能纳米材料提供了重要参考，展示了纳米技术在解决跨领域生物医学问题中的巨大潜力。随着后续研究的深入，Aux-CDs有望在精准医疗和可持续农业发展中发挥重要作用。