单步微波绿色合成酪氨酸酯衍生氮氧共掺杂碳量子点：高量子产率荧光与内在骨支持生物活性

《RSC Advances》：Green synthesis of high quantum yield tyrosine-derived carbon quantum dots with intrinsic osteo-supportive bioactivityOpen Access

　　

碳量子点（carbon quantum dots, CQDs）兼具明亮可调荧光与内在生物活性，是诊疗纳米平台的理想候选，但现有报道多依赖多步合成或合成后表面钝化来实现这一组合，且所用前驱体除作为氮源外很少参与生物学功能。在此，研究人员以柠檬酸和l-酪氨酸辛酯盐酸盐（l-tyrosine octyl ester hydrochloride, TYOE）为原料，通过单步微波辅助法合成氮氧共掺杂CQDs（记为CQD-P1）；该前驱体的酚环、烷基酯链和铵基官能团被用于同时模板化富sp²荧光碳核并赋予细胞相容、生物活性表面化学。系统优化柠檬酸:TYOE比例、微波功率和反应时间，确定2.5 g柠檬酸与3 mL 100 mM TYOE（450 W，4 min）为最优条件，得到单分散、准球形、非晶至乱层结构纳米颗粒（3–6 nm），其表面经傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）、场发射扫描电子显微镜-能量色散X射线谱（FESEM-EDX）和高分辨透射电子显微镜/选区电子衍射（HRTEM/SAED）证实带有羟基、羧基、胺基和酰胺基。CQD-P1表现激发依赖发射（蓝色，约400–420 nm），源于核态与表面态辐射复合耦合，以香豆素-102为参比相对光致发光量子产率为37%。在MG-63样细胞上，CQD-P1不仅无毒性而且促增殖，在10–200 ppm范围内维持细胞活力高于100%（MTT法），50 ppm达最大，并经calcein-AM/碘化丙啶（propidium iodide）活/死共聚焦成像进一步证实。此外，14天天狼星红染色（picrosirius red staining）评估的胶原沉积在CQD-P1处理的MG-63细胞中高于未处理对照，表明基质形成反应增强。该原子经济、能量可负担的合成同时实现多色生物成像能力和骨支持生物活性，确立酪氨酸酯衍生CQDs作为集成诊断生物成像与再生骨组织工程的双功能纳米平台。

论文主体解读

研究背景与问题：碳量子点（carbon quantum dots, CQDs；准球形碳纳米颗粒，通常小于10 nm）因尺寸和表面依赖的光致发光（photoluminescence, PL）、水分散性、化学惰性和低毒性而受到关注。CQDs通常由sp²/sp³杂化碳核及富氧/氮表面官能团构成，其光学行为受碳核量子限域与表面态发射共同调控，常表现激发依赖PL，有利于多路生物成像。微波辅助合成因操作简单、反应时间短和能效高而被广泛采用，柠檬酸是常用碳源，含氮前驱体共掺杂可提高量子产率（quantum yield, QY）。在骨组织工程中，含氧表面基团的碳基纳米材料可调节细胞内活性氧（reactive oxygen species, ROS）、支持线粒体活性并激活成骨相关信号。但同时具备高QY、多色激发依赖发射和明确骨支持细胞相容性、且通过单步原子经济合成实现的CQDs仍较少；现有方法多依赖多步合成或后修饰钝化，增加复杂性和放大难度。氨基酸衍生前驱体虽用于氮掺杂，但兼具酚芳环、烷基酯链和铵基功能的酪氨酸酯前驱体作为同时调控光物理和生物性质的试剂关注有限。研究人员据此设计以柠檬酸和l-酪氨酸辛酯盐酸盐（l-tyrosine octyl ester hydrochloride, TYOE）单步微波热解制备氮氧共掺杂CQDs（CQD-P1），并评估其光学性能、细胞相容性和骨支持潜力。

关键技术方法（≤250字）：研究人员采用单步微波辅助热解合成CQD-P1，系统改变TYOE体积、微波功率和反应时间，以紫外-可见吸收和PL强度筛选最优条件；用紫外-可见光谱、稳态及三维激发-发射矩阵（excitation–emission matrix, EEM）荧光、相对QY测定、FTIR、XRD、Raman光谱、FESEM-EDX和HRTEM/SAED进行表征；在MG-63人成骨细胞样细胞（购自National Centre for Cell Science, Pune, India）上以MTT法、calcein-AM/碘化丙啶活/死共聚焦成像评价细胞相容性，并以天狼星红染色14天定量胶原沉积。

研究结果：
3.1 合成优化与机理依据（Synthesis optimization and mechanistic rationale）：通过改变100 mM TYOE体积（2–5 mL）、微波功率（450–600 W）和时间（4–12 min），以吸收和PL强度筛选，确定2.5 g柠檬酸、3 mL TYOE、450 W、4 min为最优；600 W 4 mL虽PL更高，但高能量条件报道与更高细胞毒性和ROS生成相关，故选择450 W 3 mL；超过3 mL或超过4 min导致过碳化、颜色加深和荧光下降。结论是碳/氮前驱体比例和能量输入调控表面官能团与PL。
3.2 视觉与光学外观（Visual and optical appearance）：CQD-P1水分散液在可见光下呈淡黄褐色，365 nm紫外下呈明亮蓝绿色荧光，表明碳化和表面钝化成功；TYOE酚环贡献石墨π核，–NH₃⁺、–OH和酯基形成表面钝化层。
3.3 紫外-可见吸收与PL优化（UV-Vis absorption and photoluminescence optimization）：450 W样品均在340 nm有吸收，归因于表面C═O/C–N的n→π*跃迁而非石墨核π→π*；3 mL样品340 nm吸光度最高（约1.22 a.u.），λ_ex=434 nm时PL峰约434 nm、强度最高（约120 000 a.u.）。600 W样品吸收带移至220和272 nm，4 mL发射更强，但因激发和吸光度条件不同不能直接比较。CQD-P1连续365 nm照射约50 min后保留约84%初始吸光度。结论是3 mL条件最佳，表面态主导吸收和发射。
3.4 激发依赖PL与3D-EEM荧光（Excitation-dependent photoluminescence and 3D-EEM fluorescence）：290–410 nm激发下PL呈非单调激发依赖，290–300 nm激发发射最强并位于约410–420 nm，350–410 nm窗口逐步红移；3D-EEM显示以Ex约300 nm/Em约420 nm为中心的荧光岛及倾斜轮廓，长波长线性特征为二级瑞利散射，550–650 nm峰为光栅/单色器伪影。结论是多种表面陷阱态、分子荧光团样物种和核态发射种群共存。
3.5 荧光量子产率（Fluorescence quantum yield）：以香豆素-102（C102，Φ=0.76）为参比，吸收低于0.1，积分PL强度对吸光度线性拟合R²=0.98；3 mL样品相对QY为37%，2、4、5 mL分别约5%、4%、8%。结论是3 mL最高，N/O表面功能化钝化陷阱并稳定辐射跃迁。
3.6 结构与组成表征（Structural and compositional characterization）：联合FTIR、XRD、Raman、FESEM-EDX和HRTEM/SAED建立表面化学、结晶性、形貌、元素组成和纳米结构。3.6.1 XRD：单一宽峰2θ约29–30°对应（002）石墨反射，d间距约2.97 ?，Scherrer晶域约0.5–1.0 nm，表明非晶/乱层结构且无杂相。3.6.2 FESEM和EDX：FESEM显示连续致密均匀薄膜，细裂纹为滴涂干燥伪影，无显著团聚；EDX示C 43.51 wt%/50.32 at%、O 51.43 wt%/44.66 at%、N 5.06 wt%/5.02 at%，C:N:O约50:5:45，确认氮氧掺杂。3.6.3 FTIR：CQD-P1具O–H/N–H宽吸收及约1696 cm^?1 C═O、约1523 cm^?1 C═N、1607–1620 cm^?1 C═C、1351/1204 cm^?1芳香C–N和1083 cm^?1 C–O；2/4/5 mL产物主峰相似，但FTIR不能证明碳核存在。3.6.4 Raman：CQD-P1在约1350 cm^?1 D带和约1600 cm^?1 G带重叠宽化，表明缺陷丰富、sp²/sp³混合；高频2D和2G带解卷积支持多石墨环境，约2650–2700 cm^?1异常窄峰归为大气N₂ Q支拉曼线伪影并排除；2/4/5 mL无可分辨D/G带，结合HRTEM提示缺乏足够sp²碳网络，主要呈分子或不完全碳化组成。3.6.5 HRTEM和SAED：CQD-P1为准球形、单分散、无团聚纳米颗粒，粒径2–8 nm、主要3–5 nm；SAED为单一宽弥散晕、无Bragg衍射，符合非晶至乱层碳核；2/4/5 mL在相同放大下未见可辨纳米颗粒，可能为分子/聚合物或低于检测限，不能排除检测限以下颗粒。
3.7 细胞相容性与骨支持生物活性（Cytocompatibility and osteo-supportive bioactivity）：MTT法显示10–200 ppm所有浓度细胞活力均高于100%，50 ppm最大；50 ppm活/死共聚焦成像以绿色活细胞荧光为主、红色死细胞信号极少，膜完整性和形态保持。结论是CQD-P1不仅无细胞毒而且促增殖、具骨支持作用；原文将表面羟基、羧基和氨基促进蛋白吸附、细胞黏附、铺展和增殖，以及超小尺寸高比表面积、ROS调节、线粒体保护和成骨信号通路（MAPK、RUNX2、黏着斑激酶（FAK）和Wnt/beta-catenin）激活相联系。
3.8 体外成骨潜力：MG-63细胞胶原定量（In vitro osteogenic potential evaluation collagen quantification using MG-63 cells）：以天狼星红染色定量50 ppm CQD-P1处理1天和14天的胶原沉积，550 nm吸光度显示处理组胶原沉积高于未处理对照，表明CQD-P1增强基质形成反应；结合高细胞活力，说明其与MG-63细胞具有良好生物相容性和骨支持能力。

讨论与结论总结：原文强调同一套氧/氮表面官能团既钝化非辐射陷阱、支持强荧光，又促进蛋白吸附、细胞黏附和ROS调节，是CQD-P1双功能诊疗行为的结构基础；该酪氨酸酯掺杂策略区别于主要作为氮源的常规氨基酸或尿素共掺杂。研究结论翻译：氮氧共掺杂碳量子点通过柠檬酸和l-酪氨酸辛酯盐酸盐的快速单步微波辅助热解合成，得到单分散纳米球（3–6 nm），其乱层石墨核由氮氧表面官能团丰富钝化。核态与表面态量子限域协同导致37%相对光致发光量子产率和特征性双带蓝及橙红发射。MG-63人成骨细胞样细胞的体外评价通过MTT法和共聚焦活/死成像确认10–200 ppm完全细胞相容，并具内在骨支持、促增殖效应，活力持续高于100%并于50 ppm达峰；该结果在机制上与TYOE前驱体酚和烷基酯域赋予的抗氧化能力、线粒体保护活性和有利细胞-材料界面相互作用相关。14天天狼星红染色显示CQD-P1处理MG-63细胞胶原沉积高于未处理对照，表明除维持细胞活力外还增强基质形成反应。由于MG-63是骨肉瘤来源细胞系且未检查干细胞或分化标志物，该结果仅表明体外骨支持行为。因此，通过将优异多色光电性能与主动成骨细胞生物活性整合于单一原子经济合成，CQD-P1超越传统多步钝化CQDs系统，建立具有转化相关性的双功能纳米平台，用于同时生物成像和氧化还原调节骨组织工程。