源自糖果甘草的可持续石墨碳量子点：用于选择性金属离子检测及膜靶向抗菌活性

《ACS Nutrition Science》：Sustainable Graphitic Carbon Quantum Dots from Confectionery Liquorice for Selective Metal Ion Sensing and Membrane-Targeted Antibacterial Activity

根据输入内容，中文摘要为： 本研究以甘草为碳源，通过水热法合成氮掺杂石墨碳量子点（GCQDs），并赋予其-COOH、-OH和-NH2表面官能团。GCQDs展现出87 nm的斯托克斯位移，实现对Fe3+的高灵敏检测。抗菌实验表明，GCQDs对革兰氏阳性菌（如S. aureus）的抑制效果显著优于革兰氏阴性菌（如E. coli），可能与表面氨基增强膜穿透有关。毒性评估显示，在低剂量下对果蝇幼虫肠道无显著氧化应激，生物相容性良好。该材料在环境监测和生物医学领域具有潜在应用价值。

　　这项研究聚焦于一种名为Graphitic Carbon Quantum Dots（GCQDs）的纳米材料，其在金属离子传感和生物医学应用中的潜力。GCQDs是一种具有独特光学性质和表面功能化的碳量子点，因其在生物成像、传感和抗菌领域的广泛应用而受到广泛关注。然而，其实际应用仍面临一些挑战，如近红外（NIR）发射能力不足、表面功能化程度有限以及在金属离子传感中表现出的表面基团依赖性选择性。为了解决这些问题，研究人员采用了一种绿色、可持续的方法，利用富含多种生物活性成分的天然前驱体——甘草（liquorice）来合成GCQDs，并通过氮掺杂增强了其功能特性。

甘草作为一种传统的草药，在印度和世界各地被广泛用于治疗炎症、抗氧化和抗菌等多种疾病。其含有丰富的三萜皂苷、黄酮类化合物、多酚类物质和有机酸等成分，这使得它成为一种理想的碳源。在本研究中，研究人员通过水热法合成GCQDs，并引入了柠檬酸和乙二胺（EDA）作为表面功能化试剂。EDA作为一种氮源，有助于在合成过程中引入氨基（?NH?）基团，这些基团不仅能够改善GCQDs的荧光性能，还增强了其与生物分子的相互作用能力，从而提升了其在生物医学中的应用潜力。

通过多种实验技术，如粉末X射线衍射（PXRD）、光致发光（PL）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和场发射扫描电子显微镜（FESEM），研究人员对合成的GCQDs进行了全面的结构和表面功能分析。这些技术揭示了GCQDs具有晶体核心和非晶态表面的复合结构，其中核心由sp2和sp3杂化的碳原子组成，而表面则富含羧基（?COOH）、羟基（?OH）和氨基（?NH?）等功能基团。这些功能基团不仅提高了GCQDs在水中的分散性和稳定性，还对它们的光学性能产生了深远影响。

实验结果表明，GCQDs在Fe3?离子检测中表现出显著的荧光猝灭效应。其Stokes位移达到87 nm，使得在荧光显微镜下能够实现对Fe3?的高灵敏度检测。此外，GCQDs对其他金属离子（如Cd2?、Co2?、Pb2?、Ni2?、Zn2?、Ag?、Na?和Cr3?）也表现出一定的响应，但对Fe3?的识别能力明显更强。这种选择性可能是由于Fe3?具有较高的热力学亲和力和快速的螯合动力学，能够更有效地与GCQDs表面的功能基团相互作用，从而引起更显著的荧光猝灭。这一特性使GCQDs在实际应用中具备较高的实用性，特别是在环境监测和食品安全检测领域。

在抗菌性能方面，GCQDs对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）表现出更强的抑制作用，而对革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）的效果相对较弱。这种差异可以归因于两种细菌细胞壁结构的不同。革兰氏阳性菌缺乏外膜，其细胞壁结构相对简单，这使得GCQDs更容易穿透细胞膜并引发氧化应激，从而抑制其生长。相比之下，革兰氏阴性菌的外膜中含有脂多糖（LPS），这层结构能够有效阻挡GCQDs的渗透，降低其抗菌效果。这一发现为开发具有选择性抗菌性能的纳米材料提供了重要的理论依据，同时也为未来的抗菌药物设计提供了新的思路。

为了进一步评估GCQDs的生物相容性和安全性，研究人员使用了果蝇（Drosophila melanogaster）幼虫肠道组织进行毒性测试。通过DAPI染色和DCFHDA染色，研究人员发现GCQDs在低浓度下对DNA的损伤较小，且在细胞内不会引发明显的氧化应激。此外，NBT实验结果表明，GCQDs能够有效降低果蝇体内的氧化剂水平，这进一步验证了其抗氧化特性。这些实验结果表明，GCQDs在生物医学应用中具有良好的安全性和生物相容性，尤其适用于生物成像和抗菌治疗等领域。

从合成方法的角度来看，该研究采用了一种简便的一步水热法，不仅降低了合成成本，还提高了生产效率。这种方法充分利用了甘草的天然特性，结合柠檬酸和乙二胺的辅助作用，成功地实现了GCQDs的氮掺杂和表面功能化。这种合成策略不仅符合绿色化学的理念，还为开发更多基于天然材料的纳米材料提供了可借鉴的范例。

在实际应用中，GCQDs表现出良好的稳定性和可重复性。其荧光性能在不同pH条件下表现出一定的变化，但总体上保持了较高的光致发光效率。此外，GCQDs在30天内的存储过程中仍能保持稳定的荧光发射，表明其具有较长的使用寿命和良好的环境适应性。这些特性使其在生物医学、环境监测和传感技术中具有广阔的应用前景。

综上所述，这项研究通过使用甘草作为天然前驱体，成功合成了一种具有优良光学性能和抗菌能力的GCQDs。该材料在Fe3?检测中表现出优异的选择性和灵敏度，同时在生物医学应用中也显示出良好的生物相容性和安全性。未来的研究可以进一步探索GCQDs在其他生物医学领域的应用潜力，例如药物递送、组织工程和生物传感器开发。此外，优化其表面功能化程度和抗菌性能，也将有助于提升其在实际应用中的效果。通过这种绿色、可持续的合成方法，GCQDs有望成为解决环境和健康问题的一种重要纳米材料。