《Next Materials》：Fluorescent nitrogen-doped carbon quantum dots derived from
Hibiscus vitifolius flowers as multifunctional nanoplatforms for antibacterial, antioxidant, and antibiofilm applications
编辑推荐：
论文摘要翻译
本研究报道了一种以可持续生物质——葡萄叶木槿花（Hibiscus vitifolius）为碳前驱体、尿素为氮掺杂源的绿色水热合成方法，成功制备了荧光氮掺杂碳量子点（nitrogen-doped carbon quantum dots，N-CQDs
论文摘要翻译
本研究报道了一种以可持续生物质——葡萄叶木槿花（Hibiscus vitifolius）为碳前驱体、尿素为氮掺杂源的绿色水热合成方法，成功制备了荧光氮掺杂碳量子点（nitrogen-doped carbon quantum dots，N-CQDs）。研究人员通过光谱学和显微技术对合成的N-CQDs进行了系统表征，以研究其结构、形貌和光学性质。UV-Vis吸收光谱在235 nm处显示强吸收带，归属于石墨化核心中芳香族sp2杂化碳域（C=C）的π-π*电子跃迁。光致发光（photoluminescence，PL）光谱显示激发波长依赖的蓝绿色荧光发射，最大发射峰位于约495 nm处，荧光量子产率（quantum yield，QY）高达36.73%。透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM）分析显示平均粒径为3–4 nm的近球形纳米颗粒，具有良好的分散性。X射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）证实了碳（90.01 at%）、氧（7.39 at%）和氮（2.60 at%）的存在，其中氮以吡啶氮、吡咯氮和石墨氮三种构型成功掺入。傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy，FT-IR）确认了羟基、氨基、羰基和羧基等丰富表面官能团的存在。Zeta电位测定显示N-CQDs表面带负电荷（?32.2 ± 2.0 mV），表明其具有良好的胶体稳定性。在生物活性评估方面，N-CQDs对变形链球菌（Streptococcus mutans）表现出浓度依赖的抗菌活性，最低抑菌浓度（minimum inhibitory concentration，MIC）为250 μg mL?1，最低杀菌浓度（minimum bactericidal concentration，MBC）为1000 μg mL?1。DPPH自由基清除实验显示其具有中等抗氧化活性，在100 μg mL?1浓度下清除效率约为55%。抗生物膜实验表明，N-CQDs处理可显著破坏变形链球菌生物膜结构，共聚焦激光扫描显微镜（confocal laser scanning microscopy，CLSM）分析显示活细胞荧光强度降低约82%。细胞毒性评估显示，在2–10 μg mL?1浓度范围内，HeLa细胞存活率均高于94%，表明N-CQDs具有良好的生物相容性。综上所述，从葡萄叶木槿花中提取的N-CQDs在生物医学成像、抗菌涂层和口腔护理等领域具有广阔的应用前景。
论文解读
一、研究背景与意义
细菌耐药性（multidrug-resistance，MDR）已成为当代医疗保健领域面临的最大威胁之一。抗生素的过度和不合理使用导致耐药菌株不断涌现，传统抗生素治疗方法的有效性持续下降。同时，许多病原菌具有形成生物膜（biofilm）的能力——这些微生物群落被包裹在自身产生的胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）基质中，显著增强了细菌对抗生素、环境胁迫和宿主免疫应答的抵抗力。因此，开发兼具抗菌和抗生物膜活性的新型抗菌纳米材料成为生物医学研究的重要方向。
在口腔病原菌中，变形链球菌（Streptococcus mutans）被认为是导致龋齿的主要病原体，其高生物膜形成能力和产酸特性是致病的关键因素。细菌通过胞外葡聚糖黏附于牙齿表面，形成称为牙菌斑的复杂生物膜结构，持续产酸导致牙釉质脱矿，最终引发龋齿。此外，活性氧（reactive oxygen species，ROS）的过量产生与抗氧化系统失衡导致的氧化应激，与心血管疾病、糖尿病、癌症及多种炎症性和神经退行性疾病的发生发展密切相关。因此，开发兼具抗菌和抗氧化活性的多功能纳米材料具有重要的研究价值。
碳量子点（carbon quantum dots，CQDs）因其可调谐的光致发光、高水溶性、高光稳定性、低毒性和优异的生物相容性等独特理化特性，在生物成像、生物传感、光催化、药物递送和抗菌应用等领域受到广泛关注。与传统半导体量子点相比，CQDs具有环境友好和低毒性的优势。近年来，利用水果、蔬菜、药用植物、农业废弃物和花卉生物质等天然材料作为碳源合成CQDs的研究日益增多。生物质材料富含黄酮类、多酚类、碳水化合物、氨基酸和有机酸等植物化学物质，不仅能促进碳化过程，还能通过表面钝化改善荧光性能。
氮掺杂（nitrogen doping）是提高CQDs光学和功能性能的有效策略。由于氮原子与碳原子尺寸相近，氮掺杂可显著影响碳纳米材料的电子结构，使N-CQDs通常具有更好的光学性能、水溶性、生物活性和生物相容性。然而，利用葡萄叶木槿花（Hibiscus vitifolius）作为前驱体合成荧光氮掺杂碳量子点的研究此前尚未见报道，也缺乏对其抗菌、抗氧化和抗生物膜活性的系统研究。该植物是一种广泛分布于热带和亚热带地区的药用开花植物，其花朵富含酚类化合物、黄酮类、单宁、花青素及其他具有抗菌和抗氧化特性的生物活性植物化学物质，是合成高荧光碳纳米材料的理想前驱体。
二、主要技术方法
研究人员采用绿色水热碳化法合成N-CQDs：将1.0 g葡萄叶木槿花粉末分散于30 mL去离子水中，加入0.5 g尿素作为氮源，置于50 mL聚四氟乙烯内衬不锈钢高压反应釜中，在180°C条件下反应8小时。合成产物经离心、膜过滤和透析纯化后获得N-CQDs溶液。表征手段包括紫外-可见分光光度法（UV-Vis）、荧光分光光度法（PL）、拉曼光谱（Raman）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、Zeta电位测定、透射电子显微镜（TEM）及选区电子衍射（SAED）、X射线光电子能谱（XPS）。生物活性评估采用琼脂孔扩散法（抗菌活性）、DPPH自由基清除实验（抗氧化活性）、刃天青微量肉汤稀释法（MIC/MBC测定）、结晶紫微量滴定板法（抗生物膜活性）、三维光学表面轮廓仪及活/死细菌共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）分析。细胞毒性通过MTT法在HeLa细胞系上评估。
三、研究结果
3.1 UV-Vis吸收光谱分析
UV-Vis吸收光谱在235 nm处显示强吸收带，归属于石墨化核心中芳香族sp2杂化碳域（C=C）的π-π电子跃迁；300–320 nm处的弱肩峰归属于表面羰基（C=O）、羧基（-COOH）和含氨基官能团的n-π跃迁。合成的N-CQDs荧光量子产率（QY）高达36.73%，表明表面钝化效率高且氮掺杂成功增强了荧光性能。
3.2 X射线衍射（XRD）分析
XRD图谱在22–25°范围内显示宽衍射峰，对应石墨碳的（002）晶面。衍射峰宽化表明N-CQDs以无定形结构为主，石墨化程度较低，这与水热碳化过程中形成的无序碳骨架和表面缺陷有关。尿素引入的氮元素导致晶格畸变和无序化，形成缺陷丰富的碳网络，这些结构缺陷通过引入额外电子态促进辐射复合过程，增强了荧光发射。
3.3 拉曼光谱分析
拉曼光谱在1350 cm?1和1580 cm?1处分别观察到D带和G带，分别对应结构缺陷、边缘位点和无序碳，以及sp2杂化碳原子的面内伸缩振动。D带与G带的强度比（ID/IG）为1.6，表明N-CQDs具有缺陷丰富且以无序碳结构为主的特征，石墨域较小。
3.4 光致发光（PL）性质
PL光谱显示N-CQDs具有激发波长依赖的发射特性，在300–450 nm激发波长范围内，发射强度随激发波长增加而增强，在约450 nm激发时达到最大，对应发射峰位于约495 nm处，产生蓝绿色荧光。这种激发依赖行为归因于多种发射表面态、结构缺陷、小sp2碳域、粒径差异及表面官能团数量的不同。Zeta电位测定值为?32.2 ± 2.0 mV，表明N-CQDs因静电排斥作用具有良好的分散性，负表面电位对应羧基和羟基等电离含氧基团的存在。
3.5 FT-IR光谱分析
FT-IR光谱确认了N-CQDs表面存在羟基（O-H）、氨基（N-H）、芳香族C=C骨架振动、C-N伸缩振动、C-O伸缩振动及芳香族C-H弯曲振动等特征峰，证实了含氧和含氮表面官能团的成功引入，这些官能团有助于提高水分散性、表面电荷、胶体稳定性及与生物系统的相互作用。
3.6 TEM和SAED形貌与结构分析
TEM图像显示近球形纳米颗粒，分散性良好且无明显团聚，平均粒径约3–4 nm。由于尺寸小、比表面积大，N-CQDs拥有大量表面位点。SAED图谱显示宽弥散环伴有部分衍射增强，表明N-CQDs以无定形或弱结晶碳结构为主，存在小范围有序石墨域，与XRD和拉曼结果一致。
3.7 XPS表面元素与化学态分析
XPS全谱确认了碳（90.01 at%）、氧（7.39 at%）和氮（2.60 at%）的存在，证实尿素辅助水热碳化过程中氮的成功掺入。高分辨C 1s谱在284.6、286.0和288.2 eV处解卷积为C-C/C=C、C-O/C-N和C=O/O-C=O键。N 1s谱在398.5、400.1和401.2 eV处分别对应吡啶氮、吡咯氮和石墨氮。O 1s谱在531.5和532.8 eV处对应C=O和C-O/C-OH基团。这些结果证实了富含氧和氮表面官能团的缺陷丰富表面结构，对提升N-CQDs的多功能生物医学应用特性至关重要。
3.8 细胞毒性与抗氧化活性
MTT实验结果显示，在2–10 μg mL?1浓度范围内，HeLa细胞存活率均高于94%，表明N-CQDs具有极低的细胞毒性。根据ISO 10993指南，细胞存活率低于80%才被认为具有细胞毒性，因此N-CQDs表现出良好的生物安全性。DPPH自由基清除实验显示浓度依赖的抗氧化活性，在20、40、60、80和100 μg mL?1浓度下清除率分别约为10%、16%、26%、43%和55%，最高清除效率出现在100 μg mL?1。抗氧化活性可能归因于表面羟基、氨基、羰基和羧基参与电子转移和/或氢转移反应，同时结构缺陷和含氮位点也可能影响电子转移过程。
3.9 MIC和MBC测定
刃天青微量肉汤稀释法结果显示，N-CQDs对变形链球菌表现出浓度依赖的抗菌活性。1000、500和250 μg mL?1处理孔保持紫色（无细菌代谢活性），而125 μg mL?1及更低浓度变粉红色（有细菌生长），因此MIC值为250 μg mL?1。亚培养实验显示，250和500 μg mL?1处理仅抑制细菌生长但未杀死细菌，1000 μg mL?1处理无菌落形成，故MBC为1000 μg mL?1。MBC/MIC比值为4，表明N-CQDs在研究最高浓度下表现出杀菌活性。
3.10 变形链球菌生物膜三维表面轮廓分析
三维光学表面轮廓仪分析显示，未经处理的变形链球菌生物膜表面覆盖密集且连续，高度分布约10–11 μm，表明形成了成熟、厚实的生物膜结构。经N-CQDs处理后，生物膜呈现不规则和齿状细菌聚集体，微菌落被破坏，表面覆盖均匀性降低，表明生物膜结构受到干扰。活/死细菌CLSM分析进一步证实：未经处理的生物膜显示强绿色荧光（活细胞，26–33 a.u.）和低红色荧光（膜受损细胞，1.7–2.6 a.u.）；N-CQDs处理后绿色荧光强度降至4.3–5.4 a.u.，活细胞荧光强度降低约82%，同时红色荧光增加至约4.7–6.0 a.u.，表明膜受损或死亡细菌比例显著升高。
四、结论
本研究成功利用葡萄叶木槿花为碳源、尿素为氮源，通过简单可持续的水热技术合成了荧光N-CQDs。所合成的N-CQDs平均粒径为3–4 nm，具有激发波长依赖的蓝绿色荧光，水分散性良好，表面富含含氧和含氮官能团。XPS证实了氮的成功掺入，拉曼光谱显示碳结构部分石墨化且缺陷丰富。N-CQDs对变形链球菌表现出浓度依赖的抗菌活性（MIC = 250 μg mL?1，MBC = 1000 μg mL?1），具有中等抗氧化活性，并能显著破坏生物膜结构，使活细胞荧光强度降低约82%。初步细胞相容性实验表明N-CQDs具有良好的生物安全性。总体而言，从葡萄叶木槿花中提取的N-CQDs在生物医学成像荧光探针、抗菌涂层和口腔护理应用方面展现出广阔的应用前景，为可持续生物质源多功能纳米材料的发展开辟了新途径。
