微波辅助绿色合成开心果壳源碳点（PCDs）及其抗氧化、抗癌和抗菌多功能应用

《Results in Chemistry》：Microwave-assisted green synthesis of pistachio shell-derived carbon dots for antioxidant, anticancer, and antibacterial applications

　　

研究人员采用快速微波辅助绿色合成方法，将开心果壳废弃物转化为荧光碳点（carbon dots，CDs），用于可持续高附加值材料生产。所合成的碳点表现出激发依赖性蓝色荧光、强抗氧化活性以及有效抑制细胞内氧化应激的能力；其对正常细胞具有高度相容性，对癌细胞则呈现剂量依赖性毒性，并伴随线粒体膜电位去极化，说明其在生物医学应用中具有潜力；同时，该碳点对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现出有效的抗菌和抗生物膜活性，显示出广谱生物活性。

Raji V. Nair等研究人员开展了一项将开心果壳废弃物转化为多功能荧光碳点（carbon dots，CDs）的研究。碳点是一类纳米级碳质材料，其光学和界面性质受碳骨架、缺陷结构及表面官能团强烈影响，并因良好的水分散性、可调光致发光和生物相容性而在传感、成像、催化、环境与生物医学领域受到广泛关注。然而，生物质来源碳点的性质高度依赖前驱体组成和合成条件，目前对于前驱体衍生结构、表面化学、光学行为与多功能生物响应之间关联的理解仍不充分；针对开心果壳源碳点的理化与光学表征结合抗氧化、细胞、抗菌及抗生物膜评价的综合性研究也较为有限。开心果壳是一种未充分利用的木质纤维素农业残余物，碳含量丰富，并含有纤维素、木质素和含氧有机物，适合作为可再生碳前驱体。因此，该研究旨在采用微波辅助绿色合成路线将开心果壳废弃物转化为碳点，并系统评价其理化性质、光学性质、抗氧化活性、细胞相容性、抗癌相关细胞响应、抗菌活性和生物膜抑制能力。

研究人员以当地农业废弃物开心果壳为前驱体，在300 W、90 °C、5 min条件下进行微波辅助水相碳化，经离心、0.22 μm聚四氟乙烯（PTFE）膜过滤、透析（1-kDa MWCO）和冷冻干燥获得纯化PCDs。合成独立重复三批，质量回收率为85.0%±0.8%，初步显示批次间可重复性；Eco-Scale评分为86.5，在实验室规模上属于优良绿色工艺。研究得到的主要结论是：PCDs为准球形、平均粒径约5 nm的纳米颗粒，具有0.21 nm晶面间距的部分石墨化碳域，结构缺陷丰富（I_D/I_G≈1.0），表面富含羟基、羧基等含氧官能团，并具有介孔特征（BET比表面积约27 m² g^?1，总孔容约0.08 cm³ g^?1）。在380 nm激发下，PCDs在约450 nm处显示蓝色发射，荧光量子产率（quantum yield，QY）约17.2%，平均荧光寿命约3.6 ns，并表现出激发依赖性和pH依赖性荧光；在PBS（pH 7.4）和含血清培养基中孵育360 min后，荧光保留率分别约为93%和89%，表明其具有良好的生理条件稳定性。该工作证明了开心果壳废弃物可作为可再生前驱体，通过快速、无需额外化学试剂的微波路线制备多功能碳点，为可持续纳米技术中的结构-性质-生物活性关系研究提供了基础。

研究采用的主要关键方法包括：微波辅助碳化合成；高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）、热重分析（TGA）、N₂吸附-脱附（BET）以及紫外-可见光谱（UV-Vis）/光致发光（PL）/时间相关单光子计数（TCSPC）表征；MTT法评价L929小鼠成纤维细胞和Neuro-2a小鼠神经母细胞瘤细胞活力；DPPH和ABTS法测定抗氧化活性；H₂DCFDA探针检测胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）；罗丹明123检测线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential，MMP）；肉汤微量稀释、菌落形成单位（CFU）计数和结晶紫法测定抗菌及抗生物膜活性。样本来源：开心果壳来自当地农业废弃物；L929和Neuro-2a细胞购自印度浦那国家细胞科学中心（National Centre for Cell Science，NCCS）；抗菌实验使用Escherichia coli ATCC 25922和Staphylococcus aureus ATCC 29213。

研究结果如下：

3.1 合成与表征：微波辅助合成获得质量回收率85.0%±0.8%的PCDs，HR-TEM显示平均约5 nm的准球形粒子及0.21 nm晶格条纹；FTIR和XPS确认含氧官能团；Raman光谱I_D/I_G≈1.0表明缺陷丰富；XRD显示较小石墨域；UV-Vis和PL光谱显示激发依赖性蓝色荧光，QY约17.2%，平均寿命约3.6 ns。

3.2 小鼠成纤维细胞毒性：MTT法显示，L929细胞经20–100 μg/mL PCDs处理24 h后，活力最高仍达约97%，细胞保持梭形形态，表明PCDs对正常细胞具有良好生物相容性。

3.3 抗神经母细胞瘤活性：Neuro-2a细胞经5、10、20、30 μg/mL PCDs处理后，活力分别约为97%、79%、65%和59%，30 μg/mL组与未处理对照相比差异显著（p=0.025）；阳性对照吡咯烷二硫代氨基甲酸酯（PDTC，300 μM）处理后活力约为54%，表明PCDs具有剂量依赖性抗增殖作用。

3.4 抗氧化活性：DPPH法测得IC₅₀为38.40±0.30 μg/mL，100 μg/mL时清除率为92.2%±1.7%；ABTS法测得IC₅₀为35.10±0.90 μg/mL，100 μg/mL时清除率为94.3%±1.2%；其抗氧化活性低于抗坏血酸和BHT，属于中等有效水平。

3.5 H₂O₂诱导的胞内ROS水平：H₂O₂处理使DCF荧光升至对照的5.7倍；20和30 μg/mL PCDs预处理后分别降至3.9倍和1.9倍，表明PCDs可有效减轻外源性氧化应激下的ROS积累。

3.6 ROS荧光成像：DCFDA染色荧光显微镜图像与定量结果一致，PCDs预处理组的绿色荧光明显弱于单独H₂O₂处理组，进一步支持PCDs的抗氧化保护作用。

3.7 线粒体膜电位分析：罗丹明123结果显示，30 μg/mL PCDs使荧光强度降至83.48%，与PDTC组的82.81%相当，表明较高浓度PCDs可引起线粒体去极化；20 μg/mL时荧光强度为94.53%，对MMP影响较小。

3.8 抗菌活性：OD₆₀₀生长曲线显示，0.05 mg/mL PCDs即可显著抑制E. coli和S. aureus增殖；CFU分析显示，E. coli在≥0.1 mg/mL、S. aureus在≥0.4 mg/mL时被完全抑制；结晶紫生物膜实验显示，E. coli和S. aureus生物膜有效抑制浓度分别为0.2 mg/mL和0.4 mg/mL。

3.9 构效关系与机制：研究提出，PCDs的多功能性质源于石墨化sp²碳域、含氧表面缺陷和纳米尺寸的协同作用；含氧官能团可通过氢原子转移和单电子转移清除自由基，缺陷位增强表面反应性；与L929细胞的高相容性相比，Neuro-2a细胞对较高浓度PCDs更敏感，可能与线粒体扰动有关。

讨论部分指出，PCDs的抗氧化活性可能来自前驱体来源的酚类物质和含氧官能团与部分石墨化碳骨架的协同贡献，但常规表征无法单独区分各组分贡献；抗菌作用可能涉及氧化应激、细胞包膜扰动和界面相互作用，但细菌ROS生成和膜损伤未直接测定，因此相关机制仍需进一步验证。研究还注意到OD测量与CFU计数结果存在差异，原因是OD可能包含非活菌或受损菌体的光散射，而CFU仅统计可培养活菌。结论翻译如下：该研究展示了一种快速、可持续的微波辅助策略，将开心果壳废弃物转化为高荧光且生物相容的PCDs。所制备的PCDs（约5 nm）具有部分石墨化碳核和丰富含氧官能团，表现出良好的水稳定性、激发依赖性蓝色荧光（λ_em≈450 nm）、约17.2%的量子产率和约3.6 ns的平均荧光寿命。生物评价显示三种主要功能属性：强抗氧化活性（DPPH IC₅₀=38.40±0.30 μg/mL，ABTS IC₅₀=35.10±0.90 μg/mL）及有效抑制H₂O₂诱导的胞内ROS；对正常L929成纤维细胞高度生物相容（100 μg/mL时活力>97%），对Neuro-2a细胞呈剂量依赖性毒性并伴随线粒体膜去极化；对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有有效的抗菌和抗生物膜活性。总体意义在于将开心果壳废弃物增值为多功能荧光碳点，并为可持续纳米技术中结构-性质-生物活性关系的研究提供基础；后续需进一步开展细胞死亡机制研究和体内实验。