从γ-环糊精衍生的碳量子点的环保合成方法，用于金属离子传感和抗菌应用

《Materials & Design》：Eco-friendly synthesis of carbon quantum dots derived from γ-cyclodextrin for metal ion sensing and antibacterial applications

碳量子点（CQDs）通过γ-CD水热法合成，具有0.055量子产率和4.5 nm粒径，负表面电荷增强Al3+检测能力，检测限54.9 nM，荧光特性支持生物成像，蓝光下对E. coli抗菌活性显著。

　　碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）作为21世纪研究中的关键材料，因其广泛的应用前景而受到越来越多的关注。CQDs是一种新型的碳纳米材料，其尺寸通常小于10纳米，具有高比表面积和独特的零维荧光特性。这些特性使其在生物医学、生物成像、生物传感器、生物药物输送系统等多个领域展现出巨大的潜力。同时，CQDs在光电子学领域，如染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池、超级电容器、发光器件等，也具有重要的应用价值。此外，它们在催化、化学传感器、食品包装和吸附等领域也展现出广泛的应用前景。由于CQDs具有良好的环境友好性、低毒性和易于合成的优点，研究人员正致力于开发基于CQDs的新型传感材料，以解决传统有机分子在金属离子检测中面临的稳定性差、水溶性低、兼容性差以及环境生产受限等问题。

在众多的CQDs合成方法中，水热法因其成本低、环保性好以及能够生成非毒性的产物而备受青睐。水热法是一种在高温高压条件下进行的化学反应方法，通常使用水作为溶剂，通过控制反应条件可以实现对产物形貌和性能的精确调控。γ-环糊精（γ-Cyclodextrin, γ-CD）作为一种天然来源的环状寡糖，由8个葡萄糖吡喃环通过1,4-糖苷键连接而成，具有24个羟基（8个一级羟基和16个二级羟基）分布在不同的面。γ-CD的高溶解性使其在制药、食品工业、化妆品和环境应用中具有广泛的用途。当γ-CD被转化为纳米级颗粒时，其功能基团保持不变，这为金属离子检测提供了良好的基础。

铝离子（Al3?）作为一种常见的重金属离子，广泛存在于工业废水中。铝离子的污染对水生生态系统和人类健康构成严重威胁，尤其是在饮用水和食品加工过程中。长期摄入低浓度的铝离子可能影响人体的肾脏、大脑和骨骼，并与阿尔茨海默病等神经系统疾病的发生有关。因此，开发一种高效、选择性强的铝离子检测方法具有重要的现实意义。基于γ-CD的CQDs作为一种新型的荧光探针材料，因其表面富含含氧官能团而表现出负电荷特性，这有助于其与金属离子之间的相互作用，从而实现对Al3?的高灵敏度检测。

在本研究中，研究人员通过水热法成功合成了基于γ-CD的新型CQDs，并对其物理化学性质和荧光行为进行了系统的分析。实验结果显示，所合成的CQDs在水中的吸收峰出现在286纳米，表明其在水中的良好溶解性。此外，CQDs在不同激发波长下的发射光谱呈现出明显的荧光特性，其发射波长范围覆盖了从280纳米到380纳米，表明其具有较宽的激发范围和较强的光致发光能力。这些光学特性使得CQDs在生物成像领域具有广阔的应用前景。

为了验证CQDs对Al3?的检测能力，研究人员采用Benesi-Hildebrand方程和Stern-Volmer图谱对CQDs与Al3?的结合能力进行了定量分析。结果表明，CQDs对Al3?具有显著的结合亲和力，其检测限（LOD）达到了54.9纳米摩尔（nM），显示出其在痕量金属离子检测方面的高灵敏度。同时，CQDs在其他金属离子存在的情况下仍能保持对Al3?的高度选择性，这表明其在复杂环境中的检测能力具有较强的鲁棒性。这种选择性和灵敏度的结合，使得CQDs成为一种理想的金属离子检测探针。

除了金属离子检测功能，CQDs还表现出显著的抗菌活性，特别是在蓝光照射下，其抗菌效果进一步增强。研究人员通过实验评估了CQDs对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌，*S. aureus*）和革兰氏阴性菌（如大肠杆菌，*E. coli*）的抗菌能力。结果显示，CQDs对两种类型的细菌均具有一定的抑制作用，而在蓝光照射下，其对革兰氏阴性菌的抗菌效果更加显著。这一特性使得CQDs在抗菌材料和生物医学应用中具有潜在的价值。此外，CQDs的荧光特性使其能够作为生物成像的探针，用于追踪和监测生物体内的金属离子分布。

本研究不仅展示了基于γ-CD的CQDs在金属离子检测中的优异性能，还揭示了其在抗菌和生物成像方面的应用潜力。通过水热法合成的CQDs具有稳定的荧光特性、良好的水溶性和环境友好性，使其成为一种理想的传感材料。此外，CQDs的负电荷表面使其能够与多种金属离子发生特异性相互作用，从而实现对特定金属离子的高效检测。这一研究为开发新型的金属离子检测方法提供了理论依据和技术支持，同时也为CQDs在生物医学和环境监测领域的应用拓展了新的可能性。

在实际应用中，基于γ-CD的CQDs可以用于工业废水处理、环境监测和生物医学检测等多个领域。其高灵敏度和选择性使其能够有效检测低浓度的金属离子，为环境保护和人类健康提供保障。此外，CQDs在蓝光照射下的增强抗菌效果，也为开发新型的抗菌材料提供了思路。通过进一步优化合成条件和表面修饰，可以提高CQDs的性能，拓展其在不同应用场景中的适用性。总之，基于γ-CD的CQDs作为一种新型的多功能材料，具有广阔的发展前景和应用价值。