迈向对碳点中氮官能团的分子级理解，以增强抗菌活性和谷胱甘肽（GSH）检测能力

《Biomaterials Advances》：Toward a molecular-level understanding of nitrogen functionalities in carbon dots for enhanced antibacterial activity and GSH detection

碳点表面氮功能化调控抗菌与GSH传感性能：实验结合TD-DFT研究揭示了吡咯-N碳点因能带隙降低（3.10 eV→2.85 eV）、化学软度提升（χ=3.82→4.15）及电子局域化增强，其10 ppm浓度即可抑制金黄色葡萄球菌和致病大肠杆菌（存活率0.07%），同时实现0-1000 μM宽范围GSH荧光检测。研究建立了氮掺杂位点（边缘/中心）、分子轨道（HOMO-LUMO能隙）与生物活性的构效关系。

　　这项研究围绕氮功能化的碳点（CDs）展开，重点探讨其分子结构如何影响抗菌性能以及对谷胱甘肽（GSH）的传感能力。随着全球范围内病原菌的传播和抗生素耐药性的增加，传统抗生素的治疗效果逐渐减弱，因此寻找新的抗菌策略变得尤为迫切。碳点因其独特的物理化学特性，如高比表面积、可调的光致发光性能、良好的水分散性和固有的生物相容性，成为抗菌应用中备受关注的材料之一。然而，目前对于碳点如何通过表面化学特性调控其生物性能的理解仍不够深入，特别是在分子层面的机制方面。

为了弥补这一不足，本研究采用了一种结合实验与理论分析的方法，通过时间依赖密度泛函理论（TD-DFT）探讨氮功能化碳点的分子结构如何影响其在细菌抑制和GSH传感方面的双重功能。氮功能化的碳点是通过温度控制的水热法合成的，具有不同的氮功能基，并对其抗菌性能和荧光传感能力进行了系统评估。研究结果表明，所有样品在低浓度（10 ppm）下均表现出显著的抗菌活性，其中CD-160的抗菌效果最佳，能够将大肠杆菌的存活率降低至0.07%。此外，CD-160还表现出对GSH的高灵敏度检测能力，可在广泛的浓度范围内（0–1000 μM）有效响应。

通过TD-DFT和光谱分析，研究发现吡咯氮（Pyrrolic-N）结构的碳点具有较小的能隙、较高的化学软度以及更强的电子局域化特性。这些特性不仅增强了碳点的微生物抑制能力，还促进了其对氧化应激的响应，从而提升了其作为红ox响应型生物传感器的性能。研究结果为设计多功能碳基纳米材料提供了结构-功能框架，使这些材料能够在针对耐药性病原体和氧化应激生物标志物的生物医学应用中发挥更大作用。

在抗菌研究方面，已有大量文献表明，碳点在对抗多种细菌菌株时表现出良好的效果。例如，Tong等人开发了一种金属掺杂的碳点，并将其嵌入水凝胶基质中，能够有效调控细胞内活性氧（ROS）水平，从而抑制金黄色葡萄球菌的生长。而Cui等人则合成了一种嵌入水凝胶中的碳点，展现出广谱抗菌活性，能够同时对抗革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，包括耐药菌株。然而，这些研究主要将抗菌机制归因于静电相互作用和纳米尺度的穿透，对碳点与细菌成分之间的电子级相互作用讨论较少。

此外，Lv等人报道了一种生物质衍生的多功能碳点，具有抗菌和抗氧化性能，能够有效对抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。其抗菌效果主要由ROS的产生所驱动。同样，Wang等人开发了一种能够杀死多种细菌菌株的碳点，包括多重耐药菌株，同时还能通过ROS的清除保护宿主细胞免受氧化应激的影响。Huang等人则研究了碳量子点（CQDs）对金黄色葡萄球菌的抗菌效果，再次提出ROS介导的氧化应激是其主要机制。而在另一项研究中，Du等人合成了一种带正电的碳点，其抗菌效果主要通过膜破坏和ROS诱导的双重机制实现。

尽管上述研究强调了ROS生成在大多数碳点抗菌作用中的关键地位，但除了ROS相关的机制之外，碳点抗菌性能背后的分子层面过程仍需进一步探索。特别是，关于前线分子轨道和电子反应参数（如能量间隙、化学势和亲电性）如何影响其抗菌性能的研究尚未充分展开。为了填补这一空白，本研究团队之前已进行了一系列实验与理论分析，揭示了表面功能基（尤其是氮和氧基团）如何调控碳点的光学、电子和功能特性。这些研究表明，调整碳点表面的氮和氧功能基可以显著改变其光学和电子行为。例如，吡咯氮结构的碳点由于电子向π共轭核心的供体作用，能够减小能隙并增强其在近红外（NIR）窗口的吸收能力，从而促进高效的光热转换和红ox反应性。同时，氨基和羰基之间的协同作用也被发现能够改变吸收光谱并增强电荷转移效率。此外，氮掺杂的位置和浓度（如边缘位或中心位的吡咯氮）对轨道杂化、量子限域特性和电荷局域化具有重要影响，这些因素共同决定了碳点的光物理响应和生物活性。

有趣的是，这些分子层面的特性不仅影响碳点的抗菌性能，还可能影响其与其他生物相关分子的相互作用。例如，谷胱甘肽（GSH）是一种重要的细胞内抗氧化剂，参与氧化还原调节。它可以通过电子或能量转移机制对碳点起到猝灭作用。鉴于GSH在氧化应激、细胞防御和疾病诊断中的核心作用，碳点通过荧光猝灭检测GSH的能力，为其在生物医学领域提供了额外的功能维度。因此，研究氮功能化如何影响碳点的分子轨道结构和电荷分布，有助于建立一个统一的框架，以理解并优化其作为抗菌剂和红ox响应型生物传感器的双重功能。

本研究通过分子轨道分析，阐明了氮吡咯和氮吡啶功能基在碳点中的作用机制，揭示了其对抗菌性能和GSH检测能力的影响。实验结果表明，不同氮功能化的碳点对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出良好的抗菌效果，其中以吡咯氮主导的碳点（特别是CD-160）效果最为显著。理论计算进一步证实，吡咯氮结构的碳点具有更小的能隙、更高的化学软度以及更强的电子局域化特性，这些特性共同促进了其在微生物抑制和红ox响应型传感方面的性能。本研究不仅为设计多功能碳基纳米材料提供了理论支持，也为其在生物医学领域的应用奠定了基础，特别是在针对耐药性病原体和氧化应激生物标志物的精准治疗和诊断方面。

在材料制备方面，本研究使用了高纯度的尿素（CO(NH?)?）和柠檬酸（C?H?O?）作为前驱体，从Sigma-Aldrich（美国）购得，而姜黄素（C??H??O?）则从Combiphar（印度尼西亚）获得，乙醇（分析纯）也从Sigma-Aldrich（美国）购得。所有化学品在使用前均未进行额外纯化，直接用于实验。

为了进一步研究碳点的形貌演变，本研究采用了透射电子显微镜（TEM）技术，对不同热处理条件下合成的碳点进行表征。TEM图像（图1a–c）显示，所有样品均表现出良好的分散性和接近球形的结构，且无明显聚集现象，表明通过水热法成功合成了碳点。这些结果为后续的性能测试提供了基础。

在实验分析部分，本研究系统评估了氮功能化碳点的抗菌性能和荧光传感能力。通过选择性测试，所有样品在低浓度（10 ppm）下均表现出显著的抗菌活性，其中CD-160的效果最佳。此外，CD-160在检测GSH时表现出良好的灵敏度，能够响应从0到1000 μM的广泛浓度范围。这些结果表明，氮功能化不仅能够增强碳点的抗菌能力，还能显著提升其作为生物传感器的性能。

理论计算部分采用TD-DFT方法，进一步探讨了氮功能化如何影响碳点的电子结构和表面相互作用。计算结果表明，吡咯氮结构的碳点具有更小的能隙、更高的化学软度以及更强的电子局域化特性，这些特性不仅促进了其在微生物抑制方面的性能，还增强了其对GSH的响应能力。此外，研究还发现，氮掺杂的位置和浓度对碳点的轨道杂化、量子限域特性和电荷分布具有重要影响，这些因素共同决定了碳点的光物理响应和生物活性。

本研究的发现为碳点在生物医学领域的应用提供了新的思路。通过理解氮功能化对碳点分子结构的影响，可以更有效地设计和优化其功能，使其在抗菌治疗和红ox响应型诊断中发挥更大作用。同时，这些研究也为进一步探索碳点与其他生物分子的相互作用提供了基础，有助于开发更智能的生物传感器和抗菌材料。

在实验设计和数据分析方面，本研究采用了系统的方法，对合成的碳点进行了详细的表征和测试。通过结合实验与理论分析，不仅验证了氮功能化对碳点抗菌性能和传感能力的影响，还揭示了其背后的分子机制。这种多学科交叉的方法为理解复杂生物过程提供了新的视角，也为开发高性能的纳米材料提供了理论支持。

总之，本研究通过实验与理论的结合，深入探讨了氮功能化对碳点抗菌性能和GSH检测能力的影响。研究结果表明，吡咯氮结构的碳点在抗菌和传感方面表现出最佳性能，其电子结构和表面化学特性是其功能表现的关键因素。这些发现不仅为碳点的分子设计提供了指导，也为其在生物医学领域的应用拓展了可能性。未来的研究可以进一步探索不同氮功能化的碳点在更广泛的应用场景中的表现，以推动其在医疗领域的实际应用。