D-甘露糖衍生碳点（CDs）的绿色合成及其作为新型植物生长调节剂的潜力研究

为应对全球粮食安全挑战与环境污染问题，南京科研团队创新性地以D-甘露糖为碳源，通过水热法合成氮掺杂碳点（GCDs/GLCDs）。研究表明，0.08 mg/mL浓度的碳点可显著提升绿豆芽叶绿素含量（量子产率达6.60%），证实其通过增强光合作用效率促进植物生长，为农业纳米材料开发提供新思路。

　　

论文解读

随着全球人口增长和气候变化加剧，传统农业依赖化肥农药的生产模式已陷入环境效益与增产需求的双重困境。光合作用效率低下（理论值不足50%）更是制约作物产量的关键瓶颈——植物仅能利用太阳光谱中400-700 nm的蓝红光波段，而紫外线与近红外能量被大量浪费。如何开发既能提升光能利用率又环境友好的新型材料？碳点（Carbon dots, CDs）因其独特的光致发光特性（荧光量子产率可达6.60%）和生物相容性进入科学家视野。这类直径<10 nm的碳基纳米颗粒能吸收宽光谱并发射可见光，理论上可将未被利用的紫外光转化为植物光合系统可捕获的蓝红光。

南京科研团队选择D-甘露糖——一种半纤维素主要单糖作为碳前体，通过绿色水热法成功制备未掺杂碳点（GCDs）和邻苯二胺氮掺杂碳点（GLCDs）。研究采用高分辨透射电镜（HRTEM）确认GCDs（2.63 nm）与GLCDs（1.22 nm）的均匀球形结构，X射线光电子能谱（XPS）揭示表面富含羟基、羰基及氮掺杂引入的氨基等活性基团。光学表征显示GLCDs量子产率（6.60%）显著高于GCDs（2.39%），证实氮掺杂可优化荧光性能。

在植物实验中，0.08 mg/mL GLCDs处理使绿豆芽生物量提升21%，叶绿素a/b比值变化暗示光合系统II（PSII）活性增强。机制上，碳点可能通过三重途径发挥作用：① 紫外-可见吸收光谱显示其260-320 nm强吸收带与400-500 nm拖尾峰，可拓宽植物光捕获范围；② 荧光共振能量转移（FRET）效应将吸收的高能光子转化为光合色素可利用的蓝红光；③ 表面羧基与叶绿体膜蛋白相互作用调节电子传递链效率。

这项发表于《Applied Surface Science》的研究突破性地证实：D-甘露糖衍生碳点可作为新一代植物生长调节剂，其优势在于：① 原料来自可再生生物质，符合循环经济理念；② 水热合成工艺简单、成本低廉；③ 纳米尺寸特性使其易通过细胞壁屏障。未来通过精准调控表面官能团（如增加磺酸基改善水溶性），这类材料或可进一步应用于大田作物，为可持续农业提供纳米技术解决方案。

关键技术方法

1. 水热合成法：180℃反应8小时制备GCDs/GLCDs
2. 透射电镜（TEM/HRTEM）分析形貌与晶格结构
3. X射线光电子能谱（XPS）表征表面元素组成
4. 荧光光谱测定量子产率（以硫酸奎宁为参照）
5. 植物培养实验（绿豆芽水培模型）

研究结果
Morphology and chemical composition
HRTEM显示GCDs（2.63±0.4 nm）与GLCDs（1.22±0.3 nm）呈单分散球形，XPS证实GLCDs含5.78 at%氮元素，存在吡啶氮（398.5 eV）等活性位点。

Optical properties
GLCDs在360 nm激发下发射450 nm蓝光，斯托克斯位移达90 nm，荧光寿命2.8 ns表明其具有辐射复合主导的发光机制。

Plant growth promotion
0.08 mg/mL GLCDs处理组叶绿素总量比对照高34%，且根系活力（脱氢酶活性）提升27%，暗示碳点可能通过增强光反应与碳同化协同促进生长。

结论与意义
该研究首次系统阐明D-甘露糖碳点的构-效关系：氮掺杂通过形成表面缺陷态（defect states）提升荧光性能，而小尺寸特性（<3 nm）有利于跨膜运输。相较于传统生长激素，碳点的光调控特性使其在设施农业（如LED补光系统）中更具应用潜力。后续研究可聚焦于碳点-叶绿体蛋白互作分子机制，以及田间试验验证其稳定性与生态安全性。