通过优化冷等离子体合成工艺，提升N掺杂碳量子点的荧光性能和抗菌性能

《Journal of Molecular Liquids》：Enhancing fluorescence and antimicrobial performance of N-doped carbon quantum dots via cold plasma synthesis optimization

氮掺杂碳量子点（N-CQDs）通过冷等离子体技术优化合成，1:1比例前驱体可获得均匀球形纳米颗粒（4.36 nm），荧光量子产率达67.5%。表面缺陷与功能基团协同增强活性氧物种（ROS）生成，显著提升对10种食源性病原体的抗菌活性，验证其在食品工业中的应用潜力。

　　在当今科技飞速发展的背景下，纳米材料因其独特的物理化学性质和广泛的应用前景而受到广泛关注。其中，碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）作为一类新型的碳纳米材料，因其具有低毒性、良好的生物相容性、可调的荧光特性以及易于表面功能化等优点，被广泛应用于能源转换、气体传感、生物成像、药物输送等多个领域。近年来，氮掺杂碳量子点（Nitrogen-Doped Carbon Quantum Dots, N-CQDs）因其在抗菌性能方面的突出表现，成为研究的热点。特别是在食品工业中，N-CQDs展现出对抗多种食源性病原体的潜力，为食品安全和食品保鲜提供了新的解决方案。

氮掺杂碳量子点的合成方法多种多样，其中冷等离子体技术因其绿色、高效、低成本等优势，逐渐成为研究的主流方向。冷等离子体技术能够在常温下激活分子，使前驱体在水溶液中发生分解和重组，从而生成具有特定结构和性能的N-CQDs。相较于传统的高温水热法，冷等离子体技术不仅减少了对高温和长时间的依赖，还避免了复杂的纯化步骤，提高了合成效率。此外，等离子体技术能够有效控制N-CQDs的尺寸和形态，使其具有更均匀的分布和更稳定的性质，为后续的生物应用提供了便利。

然而，尽管冷等离子体技术在N-CQDs合成中展现出诸多优势，其在实际应用中仍面临一些挑战。其中，控制N-CQDs的尺寸和形状是关键问题之一。由于等离子体反应的复杂性和不可控性，生成的N-CQDs往往呈现出不规则的形态，这不仅影响其光学性能，还可能降低其抗菌效果。此外，N-CQDs在合成后的稳定性也值得关注，因为其表面容易发生氧化反应，导致荧光性能下降。因此，如何通过优化等离子体反应条件，提高N-CQDs的尺寸控制能力和稳定性，成为当前研究的重要方向。

本研究旨在通过冷等离子体技术优化N-CQDs的合成过程，以期获得具有更均匀尺寸和更稳定性质的N-CQDs材料。在实验中，采用了一种等离子体辅助的生长机制，通过调整前驱体（柠檬酸和尿素）的浓度比例，探索不同条件下N-CQDs的合成效果。研究发现，当柠檬酸和尿素的浓度比为1:1时，合成的N-CQDs呈现出均匀的球形结构，其荧光量子产率（Fluorescence Quantum Yield, QY）达到67.5%，尺寸约为4.36纳米。这一结果表明，通过精确控制前驱体比例，可以有效提升N-CQDs的荧光性能，同时改善其物理形态。

N-CQDs的荧光量子产率与其表面和边缘的缺陷密切相关。在等离子体反应过程中，前驱体发生碳化反应，生成各种功能基团和缺陷结构，这些结构不仅影响N-CQDs的光学特性，还对其抗菌性能产生重要影响。具体而言，N-CQDs的表面功能基团和边缘缺陷能够促进反应活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）的生成，而ROS的高浓度是其抗菌作用的关键。通过调控前驱体的浓度和等离子体反应条件，可以进一步优化N-CQDs的ROS生成能力，从而增强其对抗不同种类细菌的效率。

实验结果表明，优化后的N-CQDs材料对10种常见的食源性病原体表现出显著的抗菌活性。这些病原体包括多种革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，N-CQDs对其均显示出较强的杀灭能力。相较于传统抗生素，N-CQDs具有更低的毒性和更高的安全性，这使其在食品工业中的应用前景更加广阔。此外，N-CQDs的抗菌机制与其表面化学性质密切相关，通过调控其表面功能基团和缺陷结构，可以进一步提升其抗菌效果，同时降低对环境和人体的潜在危害。

在实际应用中，N-CQDs不仅可以作为抗菌剂，还可以用于食品包装材料、食品添加剂和食品检测等领域。例如，通过将N-CQDs负载在食品包装膜上，可以有效延长食品的保质期，减少微生物污染的风险。此外，N-CQDs的荧光特性使其能够作为高效的荧光探针，用于检测食品中的污染物和病原体。这种多功能性使得N-CQDs在食品工业中具有广泛的应用潜力。

为了进一步验证N-CQDs的抗菌性能，本研究还进行了多种实验测试，包括菌落计数、扫描电镜（SEM）和荧光光谱分析等。实验结果表明，优化后的N-CQDs在抗菌效果、荧光性能和稳定性方面均优于未优化的样品。这不仅证明了等离子体辅助合成方法的有效性，也为N-CQDs在食品工业中的实际应用提供了理论支持和实验依据。

综上所述，通过冷等离子体技术优化N-CQDs的合成过程，可以有效提升其荧光量子产率和抗菌性能，同时改善其物理形态和稳定性。这种材料不仅具有良好的生物相容性，还能够在多种环境中保持其活性，为食品安全和食品保鲜提供了新的解决方案。未来的研究可以进一步探索N-CQDs在不同食品体系中的应用效果，以及其在实际生产中的规模化和稳定性问题，以期实现其在食品工业中的广泛应用。