光控双功能红发射碳点的理性设计：非光照条件下的ROS生成与抗氧化活性调控新策略

【编辑推荐】本研究针对活性氧(ROS)在疾病治疗中精准调控的难题，通过溶剂热法合成氮掺杂红发射碳点(Emo-CDs)，实现光照下高效产生I/II型ROS、黑暗中清除90%以上•OH的双向调控。该材料兼具650 nm深组织穿透性、优异水溶性和生物相容性，其石墨烯内核与表面-OH/-NH2 基团构成可逆氧化还原开关，为肿瘤光动力治疗(PDT)与抗氧化治疗提供新型智能诊疗剂。

　　

在生命活动中，活性氧(ROS)如同双刃剑——既是细胞信号传导的使者，又是组织损伤的元凶。这种微妙的平衡关系使得ROS调控成为治疗癌症、神经退行性疾病的关键突破口。然而现有材料面临三重困境：短波长发射限制组织穿透深度、单一ROS生成机制难以克服肿瘤缺氧、抗氧化/促氧化功能无法动态切换。更棘手的是，临床亟需能同时满足深部病灶诊疗、适应复杂微环境的多功能纳米平台。

针对这些挑战，四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室Hongsong Fan团队在《Biomaterials》发表创新成果。研究人员采用溶剂热法将中药单体大黄素(emodin)与尿素碳化，构建出具有石墨烯内核的红色荧光碳点(Emo-CDs)，通过密度泛函理论(DFT)计算指导氮掺杂策略，成功实现光照/黑暗条件下的ROS双向精准调控。该研究突破性地整合了四大特性：深红发射(>650 nm)增强组织穿透、I/II型混合ROS生成机制、黑暗环境中>90%的•OH清除效率、以及优异的生物相容性。

关键技术包括：溶剂热合成法制备氮掺杂碳点、紫外-可见光谱与荧光光谱表征光学特性、电子自旋共振(ESR)检测ROS类型、密度泛函理论计算能带结构、CCK-8法评估细胞毒性等。研究团队通过特异性探针(SOSG、DHR123等)系统验证了材料的双功能特性。

【Preparation and Characteristics of Emo-CDs】
通过大黄素与尿素在180°C乙醇中反应8小时，获得表面富含-OH/-NH₂
的碳点。DFT计算表明氮掺杂使带隙缩小至1.98 eV，促使吸收光谱红移至600 nm，荧光量子产率达12.3%。X射线光电子能谱(XPS)证实石墨氮含量达38.7%，为ROS生成提供活性位点。

【ROS Generation and Scavenging】
白光LED照射下，Emo-CDs通过I型(产生O₂
^•-
)和II型(生成¹
O₂
)协同机制使DPBF探针降解率达82%。黑暗环境中，其表面酚羟基通过氢原子转移(HAT)清除•OH，效率超过维生素C。ESR谱直接捕获到光照下的DMPO-O₂
^•-
和TEMP-¹
O₂
特征信号。

【Biological Applications】
在LPS诱导的巨噬细胞模型中，光照组ROS水平升高3.2倍，黑暗组则降低67%。小鼠体内实验显示肿瘤部位荧光强度是肝脏的5.8倍，证实深组织靶向性。CCK-8实验表明即使浓度达200 μg/mL，细胞存活率仍>85%。

该研究开创性地构建了首例红光激发的ROS双向调控碳点，其创新性体现在三方面：①突破传统碳点短波长限制，通过氮掺杂与扩展π共轭实现诊疗一体化；②建立氧依赖/非依赖双通路ROS生成模式，克服肿瘤缺氧障碍；③表面功能基团动态重构实现环境响应型功能切换。这项工作为精准纳米医学提供了新范式，特别在PDT-抗氧化联合治疗领域具有重大转化价值。未来可通过调控掺杂元素拓展至其他疾病模型，或结合靶向修饰进一步提升病灶蓄积效率。