通过水热合成方法制备具有可调发射特性的内在碳点，这些碳点可用于荧光油墨及多种生物成像应用

《Journal of Molecular Liquids》：Hydrothermal synthesis of intrinsic carbon dots with tunable emission for fluorescent inks and variegated bioimaging applications

本研究采用木鳖为前驱体，通过水热辅助碳化法一步合成水溶性碳点（WSCDs），具有均匀球状形貌（4.5 nm为主）、高石墨化结构、优异光稳定性和生物相容性，适用于生态荧光墨水与生物成像。

　　本研究介绍了一种环保的合成方法，用于制备具有亲水性且应用广泛的木绣球碳点（WSCDs）。通过一步水热辅助碳化法，从天然的木绣球作为前驱体直接进行碳化处理，成功获得了具有均匀球形形态和窄尺寸分布（2.5–6.0纳米，主要集中在4.5纳米）的碳点。这一结果通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）得到确认，显示了WSCDs的结构特征。通过能量色散X射线光谱（EDX）和X射线光电子能谱（XPS）分析，可以发现碳、氮和氧元素在WSCDs中均匀分布，同时X射线衍射分析（主要峰位于23°）和拉曼光谱分析进一步验证了其高度石墨化特性，且d间距为0.21纳米。此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和XPS确认了WSCDs表面存在羟基、羧基和羰基等官能团，这些官能团对WSCDs的亲水性和广泛反应性起到了重要作用。光学表征结果显示，WSCDs具有强的紫外吸收能力（在245、278和317纳米处有明显吸收峰），并且其荧光发射具有可调性，表现出激发依赖性行为，同时在180天内和紫外照射下都具有优异的光稳定性。生物相容性研究表明，WSCDs在Clone 9肝细胞和HCT-116人结肠癌细胞中表现出非毒性特性，这一结论通过MTT实验得到验证，同时通过共聚焦荧光显微镜观察到WSCDs在细胞内的有效摄取。在实际应用方面，WSCDs作为荧光墨水表现出优异的性能，能够在长时间内保持清晰度和荧光性，使其成为安全印刷和艺术创作的理想材料。本研究强调了WSCDs作为多功能材料在生态墨水和先进成像中的潜力，突出了其可持续的合成方法和广泛的工业应用前景。

碳点（CDs）近年来因其独特的性质而受到广泛关注，成为新型纳米材料的重要代表。CDs是一种微小的、类球形的纳米颗粒，通常尺寸小于10纳米，主要由碳元素构成。它们表现出强烈的光致发光（荧光）特性，通过调节其尺寸、表面状态和合成条件，可以在可见光谱范围内实现对荧光特性的精细调控。这种可调的荧光特性使CDs在生态荧光墨水和细胞成像等领域具有显著的应用价值。由CDs制成的生态荧光墨水相比传统的荧光染料和颜料，具有诸多环境和功能优势。CDs可以从多种天然、可再生的前驱体中合成，如水果皮、树叶和其他生物质材料，使得生产过程更加可持续且成本效益高。此外，CDs通常无毒且对环境友好，从而减少了其使用过程中对生态环境的影响。这些特性对于开发绿色技术和产品至关重要，符合全球对可持续性和环境保护的日益重视。

在细胞成像领域，CDs提供了一系列关键优势，使其优于传统的有机染料和其他荧光纳米材料。首先，CDs表现出优异的生物相容性，这对于减少细胞毒性效应和确保其与生物组织的安全相互作用至关重要。其次，CDs具有显著的光稳定性，即使在长时间暴露于强光源下也能抵抗光漂白现象。这一特性确保了在长时间的成像过程中，荧光信号保持稳定，这对于生物研究中准确和可靠的观察具有重要意义。此外，CDs能够轻松穿透细胞膜，使其成为有效的成像探针，用于观察细胞结构和各种生物过程。其表面的官能团可以方便地进行修饰，以靶向特定的细胞成分，从而增强其在生物医学领域的应用价值。例如，CDs可以与生物分子如肽、抗体或核酸进行偶联，以实现对特定细胞器、蛋白质或核酸序列的靶向成像。这种能力为先进的诊断技术、细胞动态的实时监测以及靶向治疗的发展开辟了新的途径。

CDs的合成方法多种多样，包括自上而下和自下而上的方法。自上而下的方法通常涉及将较大的碳结构如石墨、碳纳米管或碳黑分解成更小的纳米颗粒。而自下而上的方法则通过将小有机分子或生物质前驱体进行水热碳化、微波辅助合成和热解等过程来制备CDs。每种合成方法都有其独特的优点，可以根据需求调整以获得具有特定特性的CDs，如尺寸、形状、表面功能和荧光特性。其中，水热法具有诸多优势，尤其因其环保性、简便性、高产率和可调性而备受重视。该方法使用天然、可再生的前驱体和水作为溶剂，符合绿色化学原则，能够减少对环境的影响。水热法可以在温和的条件下进行一步合成，使得该过程易于扩展，满足大规模生产的需求。此外，该方法还能实现可控合成，允许对光学和化学特性进行精细调整，并方便地进行表面功能化处理。这种合成方法的灵活性使得CDs能够被定制化用于生物成像、传感、药物输送和环境监测等多个领域。例如，共聚焦荧光显微镜和明场显微镜可以用于展示CDs在细胞成像中的实际应用。具体而言，可以使用CDs作为荧光探针对Clone 9肝细胞和HCT-116人结肠癌细胞进行成像。共聚焦荧光显微镜能够提供高分辨率的三维细胞图像，使得CDs在细胞内的精确定位成为可能。而明场显微镜则能提供互补的信息，展示细胞的形态结构。通过结合这两种显微成像技术，研究人员可以获得对CDs与生物细胞相互作用的全面认识，从而推动CDs在生物成像应用方面的深入研究。因此，CDs不仅在生物成像和癌症 therapies 中表现出良好的生物相容性，还因其优异的光稳定性被用于防伪技术，同时其高灵敏度也使其在环境监测中具有重要应用。CDs的环保生产支持绿色技术的发展，使其成为解决当前和未来技术挑战的多功能材料。

本研究采用了一种简单且环保的一步水热辅助碳化方法来合成木绣球碳点（WSCDs），在碳点的合成方面实现了突破。这种方法相比传统合成技术具有显著优势，包括减少环境影响、提高可扩展性和降低成本。与需要使用危险化学品或复杂设备的多步骤过程不同，该一步法采用单一且简便的步骤，利用木绣球这种生物质前驱体进行合成，使得整个过程更加环保。该方法的可扩展性使其能够满足工业对生态荧光墨水和生物医学应用的需求。此外，该方法的简便性降低了生产成本和能耗，进一步提升了其可持续性。所获得的WSCDs表现出优异的荧光特性、非毒性以及良好的生物相容性，使其成为生态标签和安全印刷的理想材料，同时也适用于先进细胞成像，用于诊断和治疗研究。这种合成策略凸显了CDs作为多功能、可持续纳米材料的潜力，能够应对当前和未来的技术挑战。

在合成WSCDs的过程中，首先将木绣球的叶子采集自韩国庆南大学校园。采集的叶子随后用自来水清洗，再用去离子水去除杂质。清洗后的叶子在阳光下晾干，并使用商用搅拌机和研磨机将其研磨成细粉。通常情况下，将3.0克细粉与100毫升去离子水混合，作为反应体系。在水热条件下，通过高温高压的环境促使木绣球中的有机物质发生碳化反应，最终形成具有亲水性和良好光学性能的WSCDs。这一过程的优化使得合成的WSCDs具有高度均匀的球形结构和较小的尺寸分布，同时在表面功能化和光学特性调控方面也表现出优异的性能。通过调整反应参数，如温度、时间、pH值和前驱体浓度，可以进一步优化WSCDs的性能，使其更符合实际应用的需求。

对合成的亲水性WSCDs进行了详细的结构表征，以深入了解其物理和化学特性。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像显示了WSCDs的球形形态及其在不同放大倍数下的分布情况，揭示了其均匀的结构和良好的分散性。通过能量色散X射线光谱（EDX）和X射线光电子能谱（XPS）分析，可以确认WSCDs中碳、氮和氧元素的均匀分布，同时进一步揭示其表面化学组成和官能团分布。X射线衍射（XRD）分析显示，WSCDs的晶格结构具有较高的石墨化程度，其主要衍射峰位于23°，这表明其具有良好的结晶性和有序性。拉曼光谱分析进一步验证了WSCDs的石墨化程度，并提供了其晶格间距（d-spacing）为0.21纳米的信息。这些表征结果表明，WSCDs不仅具有良好的物理结构，还具有优异的化学特性，使其在多个应用领域中表现出色。

在光学性能方面，对WSCDs进行了系统的表征，以评估其荧光特性和光稳定性。通过紫外-可见光谱分析，可以观察到WSCDs在245、278和317纳米处具有明显的紫外吸收峰，表明其具有良好的紫外吸收能力。此外，通过荧光光谱分析，可以发现WSCDs的荧光发射具有可调性，其荧光强度和发射波长可以通过改变激发波长进行调控。这一特性使得WSCDs在荧光成像和传感等领域具有广泛的应用前景。同时，通过长时间的光稳定性测试，可以确认WSCDs在180天内和紫外照射下仍然保持较高的荧光强度，表现出优异的光稳定性。这种特性对于需要长时间监测和观察的生物研究具有重要意义，能够确保实验数据的准确性和可靠性。

在生物相容性方面，对WSCDs进行了系统的实验评估，以确认其在生物体内的安全性和适用性。通过MTT实验，可以发现WSCDs在Clone 9肝细胞和HCT-116人结肠癌细胞中表现出良好的生物相容性，且对细胞活性没有明显影响。这一实验结果表明，WSCDs在生物体内具有较低的细胞毒性，适合用于生物医学应用。此外，通过共聚焦荧光显微镜观察到WSCDs能够有效进入细胞内部，并在细胞内分布均匀，表明其具有良好的细胞摄取能力。这一特性使得WSCDs在细胞成像和药物输送等应用中具有显著的优势。同时，通过细胞内荧光信号的监测，可以进一步研究WSCDs在细胞内的行为和作用机制，为相关研究提供重要的实验数据。

在实际应用方面，WSCDs表现出优异的性能，尤其在荧光墨水领域具有显著的应用潜力。通过实验测试，可以发现WSCDs在长时间内能够保持良好的荧光强度和清晰度，使其成为安全印刷和艺术创作的理想材料。此外，WSCDs的高灵敏度和良好的光学特性使其在环境监测和传感领域具有广泛的应用前景。例如，可以将WSCDs用于检测环境中的污染物或生物分子，通过其荧光信号的变化来实现对目标物质的识别和定量分析。这一应用不仅能够提高检测的准确性，还能减少对环境的影响，符合绿色化学的发展方向。此外，WSCDs的可调性使其能够满足不同应用场景的需求，如在不同的光照条件下实现不同的荧光响应，或者在不同的pH值环境中保持稳定的荧光特性。

本研究的成果不仅在于合成方法的创新，还在于对WSCDs在多个应用领域的深入探索。通过系统的结构、光学和生物相容性表征，可以全面评估WSCDs的性能，并为其在生态墨水、细胞成像和环境监测等领域的应用提供理论支持。此外，通过实验验证WSCDs在生物体内的安全性，进一步拓展了其在生物医学领域的应用前景。这种研究不仅有助于推动CDs技术的发展，还能够为可持续的绿色材料研究提供新的思路和方法。同时，本研究的结果也为未来的CDs应用研究提供了重要的实验基础，使得CDs能够在更广泛的领域中发挥其独特的优势。通过不断优化合成方法和表征技术，有望进一步提升WSCDs的性能，使其在更多实际应用中展现出更高的效率和可靠性。