从波士顿常春藤叶子中提取碳点的绿色合成方法，用于同时实现泰乐菌素的检测与成像

《Microchemical Journal》：Green synthesis of carbon dots derived from Boston ivy leaves for simultaneous Tylosin detection and imaging

　　

杜振振|曾玉凡|邓卫芳|娄斌|张旭|赵彦宝

河南大学药学院，开封475004，中国

摘要

通过一步水热法合成了蓝荧光碳点（B-CQDs），以生物质衍生的波士顿常春藤叶作为可持续的碳源。制备的B-CQDs平均粒径为3.13纳米，表现出耐盐性、优异的抗光漂白能力和长期稳定性。B-CQDs作为一种高灵敏度的荧光纳米探针，可用于通过增强荧光强度快速检测泰乐菌素，检测限低至0.07微摩尔。通过牛奶样品分析验证了该探针的实际应用效果，回收率在95.55%–104.32%之间，相对标准偏差（RSD）在0.76%–2.60%之间。同时，细胞毒性测试和红细胞（RBCs）溶血测试证实了B-CQDs纳米探针良好的生物相容性和低毒性。基于此，B-CQDs纳米探针实现了细菌和细胞的双重成像功能。结合细胞毒性、菌落计数和扫描电子显微镜表征的结果，发现B-CQDs纳米探针不会影响细胞和细菌的正常生长、形态和结构，是一种具有多重应用潜力的多功能碳量子点。

引言

除了常用的基于镉的II–VI族和基于铅的IV–VI族量子点外，环保型碳量子点（CQDs）也逐渐受到关注[1]。近年来，富勒烯（零维材料）、碳纳米管（一维材料）和石墨烯（二维材料）在多个科学领域展现出显著的研究价值，特别是在材料科学、生物医学科学和传感技术方面取得了显著成果[2]、[3]、[4]。然而，这些碳基纳米材料在光伏性能方面仍存在明显缺陷：其发光效率低，且通常面临结构稳定性差、形态参数难以精确控制、制备过程复杂以及生产成本高等问题。这些固有缺陷严重限制了它们在光电设备等领域的实际应用[5]。生物质衍生的CQDs因其易于处理、天然的可持续碳源以及高可用性、低成本和缩短的合成时间等优点而受到关注[6]。CQDs由于其良好的生物相容性、水溶性和光稳定性，在生物应用中克服了普通金属量子点的高毒性，并已在生物成像中得到广泛应用[7]。CQDs的合成方法主要分为自上而下和自下而上的方法。自上而下的方法将较大的碳材料转化为纳米级碳量子点，包括电化学氧化法[8]、电弧放电[9]和激光烧蚀[10]；自下而上的方法将小分子转化为碳量子点，包括微波辅助法[11]、热解[12]、溶剂热法[13]和超声法[14]。这种方法成本低、操作简单、设备要求低[15]，在碳量子点的合成中应用更为广泛。

泰乐菌素是一种16元环状大环内酯类抗生素，主要用于兽医领域。它广泛用于奶牛、肉牛和猪[16]，常作为饲料添加剂预防和治疗由细菌（如革兰氏阳性菌）、支原体和某些螺旋体引起的疾病，有效促进畜牧业的发展[17]。使用抗生素后，部分泰乐菌素会通过尿液和粪便排出[18]。当羊注射泰乐菌素时，受污染的粪便量超过7公斤[16]。抗生素可通过粪便从牲畜转移到土壤和水中，造成环境问题[19]。此外，由于泰乐菌素的生物降解性较差，它可能是动物源性食品的潜在污染物[20]。因此，有必要仔细监测抗生素残留物以保护消费者健康和环境[21]。

生物成像是一系列用于可视化、表征和定量研究生物实体（如分子、细胞、组织和整个生物体）内部结构、功能和过程的技术和方法[22]、[23]。它以特定方式将不可见的生物信息转化为可见图像。生物成像方法包括荧光成像、光声成像和磁共振成像等。这些技术的发展对各种疾病的诊断和治疗做出了重要贡献[24]。基于纳米材料的荧光成像由于延长了血液循环时间和改善了治疗效果，在临床应用中展现出巨大潜力[25]。

在本研究中，利用富含自然资源的波士顿常春藤叶，通过简单环保的水热法合成了蓝荧光碳量子点（如图1a所示）。这些碳量子点具有优异的水溶性、均匀分散性和高稳定性。B-CQDs纳米探针与泰乐菌素相互作用时荧光强度增强，使其能够以0.07微摩尔的低检测限检测泰乐菌素。此外，B-CQDs纳米探针几乎无细胞毒性，并已成功应用于细胞和细菌成像，表明其在生物成像应用中的巨大潜力（图1b）。

章节摘录

化学试剂

在7月至9月期间采摘新鲜的绿色波士顿常春藤叶。乙二胺（EDA）从Xilinguo科技有限公司购买；透析袋（分子量为1 kDa）、磷酸盐缓冲盐水（PBS）、Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）和罗丹明123（Rh123）从北京Solibo科技有限公司购买；NaCl、DMSO、Na?HPO?、CH?CH?OH、CH?COCH?和CH?OH从上海Maclin生化科技有限公司购买。泰乐菌素、红霉素等试剂也来自这些公司。

B-CQDs纳米探针的合成

以波士顿常春藤叶为碳源，通过水热法成功合成了具有蓝荧光的B-CQDs纳米探针。在反应过程中加入EDA后，荧光发射向蓝端偏移，PL强度显著增强（图S1a）。这是因为在碳量子点中引入氮原子作为活性位点可以显著增强其荧光[27]。引入更多氮原子可以...

结论

通过一系列测试对采用绿色简单水热法合成的B-CQDs纳米探针进行了表征和验证，结果显示其粒径和分布均匀，水溶性良好，蓝光性能稳定。B-CQDs纳米探针能够特异性检测泰乐菌素，线性相关方程为y = 0.16115x + 0.00191，决定系数R2 = 0.994。MTT实验、溶血实验和细菌计数结果表明其...

CRediT作者贡献声明

杜振振：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究，概念构思。曾玉凡：方法学，数据分析。邓卫芳：软件操作，数据管理。娄斌：资源获取，数据分析。张旭：撰写 – 审稿与编辑，资金争取，概念构思。赵彦宝：监督，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号21271062）和开封市科技项目（项目编号2202002）的支持。