以酵母β-葡聚糖可持续合成碳量子点：一种在生物医学应用中具有前景的多功能纳米材料

《Scientific Reports》：Sustainable carbon quantum dots synthesized from yeast β-glucan as a promising nanomaterial for biological applications

本研究针对传统量子点毒性高、合成不环保等问题，以酵母细胞壁提取的β-葡聚糖为前体，通过绿色水热法成功合成了磷掺杂碳量子点(CQDs)。该CQDs具有24%的量子产率、pH依赖性荧光特性，并展现出广谱抗菌（尤其对耐药铜绿假单胞菌活性优于环丙沙星）、强抗氧化（酸性条件下活性更高）、显著抗炎（使血沉从12 mm h-1降至1 mm h-1）以及良好的生物相容性（~47 μg mL-1时细胞活性>70%）。该研究为开发可持续、多功能的生物医学纳米材料提供了新策略。

　　

在纳米技术飞速发展的今天，量子点（Quantum Dots, QDs）作为一种尺寸在1到10纳米之间的半导体纳米颗粒，因其独特的光学特性和尺寸依赖性，在生物医学、环境修复和光电子学等领域展现出巨大的应用潜力。然而，传统的量子点通常含有镉、铅等重金属元素，其潜在的生物毒性问题严重限制了其在生物体内的应用。因此，开发低毒、生物相容性好的新型量子点材料成为该领域的研究热点。碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）应运而生，它们以碳为主要成分，具有毒性低、生物相容性好、光致发光强且可调、化学稳定性高等优点，被认为是传统重金属量子点的理想替代品，在药物递送、生物成像和生物传感等方面前景广阔。

碳量子点的性能很大程度上取决于其前体材料和合成方法。目前，许多研究使用柠檬酸、葡萄糖等化学试剂作为碳源，或者直接使用成分复杂的生物质（如完整的酵母细胞壁）来合成碳量子点。然而，化学试剂前体可能不够环保，而复杂的生物质前体则可能导致最终产物批次间差异大，重复性不佳。那么，能否找到一种既可持续、成分均一，又兼具良好生物活性的理想前体来合成碳量子点呢？

来自伊朗沙希德·贝赫什提大学和德黑兰大学的研究团队将目光投向了酵母β-葡聚糖。β-葡聚糖是一种由β- D-葡萄糖单元通过β-(1→3)和β-(1→6)糖苷键连接而成的天然多糖，大量存在于酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的细胞壁中。酵母细胞壁是食品和生物技术工业的副产物，来源丰富、可持续。更重要的是，β-葡聚糖本身具有良好的生物相容性、免疫调节和抗氧化活性，并且其分子结构均一，有利于实现碳量子点合成的可重复性。如果能够将β-葡聚糖的这些优良特性“继承”到由此合成的碳量子点上，无疑将创造出一种极具吸引力的新型纳米材料。

基于此，研究人员在《Scientific Reports》上发表了他们的最新研究成果，成功地从酿酒酵母细胞壁中提取出β-葡聚糖，并通过一种绿色、温和的水热法，合成了磷掺杂的荧光碳量子点。他们系统地表征了这种碳量子点的物理化学性质，并深入评估了其抗菌、抗氧化、抗炎和细胞毒性等多方面的生物活性，旨在为生物医学应用提供一种高性能、可持续的纳米材料平台。

为开展本研究，作者主要运用了几项关键技术。首先，他们通过酶法结合酸碱提取法从商品化酿酒酵母干粉中分离纯化出β-葡聚糖。其次，以纯化的β-葡聚糖为前体，在磷酸存在下通过水热碳化法（250°C, 3小时）合成碳量子点。随后，利用紫外-可见吸收光谱、光致发光光谱、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、能量色散X射线光谱映射、动态光散射、透射电子显微镜等一系列技术对碳量子点的光学特性、化学组成、晶体结构和形貌进行了全面表征。在生物学功能评估方面，研究采用了磁盘扩散法、最小抑菌浓度/最小杀菌浓度测定、铁离子还原抗氧化能力测定、体外血沉试验以及MTT法分别考察了碳量子点的抗菌、抗氧化、抗炎活性和细胞毒性。值得注意的是，抗炎实验所用的血液样本为研究者自愿提供。

3 结果

3.1 β-葡聚糖提取产率

从酵母细胞壁中成功提取出β-葡聚糖，提取产率为20%。提取物经过冷冻干燥后得到不溶于水的白色精细粉末。

3.2 制备的碳量子点及其量子产率

基于热重分析确定β-葡聚糖的热分解起始温度约为250°C，以此作为水热合成温度。反应后得到在紫外光照射下发出蓝色荧光的碳量子点溶液。以硫酸奎宁为标准品，计算出所合成碳量子点的荧光量子产率为24%。

3.3 光学表征

紫外-可见吸收光谱在201纳米处显示一个明显的吸收峰，归属于碳核中sp²杂化芳香域的电子的π-π*跃迁。通过Tauc图计算出的带隙为5.19电子伏特，证实了碳量子点中存在量子限域效应。光致发光光谱显示碳量子点的荧光具有pH依赖性，在pH 2时于380纳米处发射强度最大。

3.4 组成分析

傅里叶变换红外光谱分析表明，与β-葡聚糖相比，碳量子点的O-H伸缩振动峰强度显著降低，并出现了C=O伸缩振动峰，同时糖苷键的特征峰减弱，表明水热碳化过程发生了脱水、氧化和糖苷键断裂。X射线衍射显示碳量子点的衍射峰宽化，表明其形成了更小、更无序的非晶碳结构。能量色散X射线光谱映射证实了磷的成功掺杂，磷元素可能以磷酸根或膦酸根的形式存在于碳量子点表面。

3.5 形态表征

动态光散射测得的碳量子点流体动力学直径分布较宽，主峰在41.9纳米，zeta电位为-2.9毫伏，表明表面电荷低，胶体稳定性较差。透射电子显微镜显示碳量子点近似球形，分散良好，核心尺寸在3-7纳米之间，结构与观察到的蓝色荧光一致。

3.6 碳量子点的生物活性

3.6.1 抗菌特性

磁盘扩散实验表明，碳量子点对所有测试的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有抑制作用，且对一株临床分离的耐药铜绿假单胞菌的抑制效果优于环丙沙星。最小抑菌浓度和最小杀菌浓度测定进一步证实了其广谱抗菌活性。

3.6.2 抗氧化活性

铁离子还原抗氧化能力测定显示，碳量子点的总抗氧化能力在强酸性条件下（pH ≤ 2）最高，并随pH升高而逐渐降低，这与其表面官能团的质子化状态有关。

3.6.3 血沉试验

在体外实验中，碳量子点能浓度依赖性地降低血沉速率。添加200微升碳量子点溶液（5微克/微升）可使血沉从12毫米/小时显著降至1毫米/小时，表明其具有抗炎潜力。

3.6.4 细胞毒性评估

MTT实验显示，碳量子点对人工常皮肤成纤维细胞的毒性具有浓度依赖性。在浓度约为47微克/毫升时，细胞存活率仍高于70%，表现出良好的生物相容性；而在高浓度（15毫克/毫升）下，细胞存活率降至约20%。

4 讨论与结论

该研究首次报道了以酿酒酵母来源的β-葡聚糖作为可持续前体，通过绿色水热法合成磷掺杂碳量子点。这种方法仅使用食品级磷酸，无需有害溶剂，符合绿色化学原则。所获得的碳量子点展现出优异的多功能特性：其光学性能优异，具有pH敏感的荧光发射，可用于酸性微环境（如肿瘤组织、溶酶体）的传感；生物学功能强大，不仅具有广谱抗菌活性，尤其对耐药菌株效果显著，还表现出依赖于pH的强抗氧化活性以及显著的抗炎效果；同时，在适当浓度下具有良好的生物相容性。

研究表明，碳量子点的抗菌机制可能与其表面特性、磷掺杂促进活性氧生成以及与细菌表面的相互作用有关。其抗氧化和pH依赖性荧光则与表面官能团（如羧基和羟基）的质子耦合电子转移过程密切相关。抗炎效应可能源于碳量子点对纤维蛋白原的吸附或对红细胞膜的影响，从而抑制了红细胞叠连的形成。

尽管碳量子点较低的zeta电位导致其胶体稳定性有待提高，且较高的浓度会引发细胞毒性，限制了其全身给药的潜力，但该研究确定的具有生物活性的浓度范围（如10-100微克/毫升）对于局部用药（如抗菌敷料）或成像应用而言是相对安全的。未来通过表面钝化、靶向修饰等策略，有望进一步拓宽其治疗窗口。

总之，这项研究成功开发了一种以可持续生物质为原料的绿色合成方法，制备出的β-葡聚糖衍生碳量子点集抗菌、抗氧化、抗炎和光学传感多种功能于一身，为构建用于诊疗一体化的新型纳米材料平台奠定了坚实的基础，在生物医学领域，特别是针对耐药菌感染、炎症性疾病及肿瘤的诊断治疗方面，展现出巨大的应用前景。该合成策略原料易得、过程环保，具有良好的规模化生产潜力。