碳量子点中DNA相互作用的先驱体依赖性调控：物理化学特性分析

《International Journal of Biological Macromolecules》：Precursor-dependent modulation of DNA interaction in carbon quantum dots: Physico-chemical characterizations

　　

摘要

碳量子点因其可调节的光学性质、多样的表面功能以及生物相容性，已成为纳米生物技术领域中一个备受关注的研究对象。尽管碳量子点的应用范围极为广泛，但关于其前体在与DNA相互作用机制中的作用，目前尚缺乏系统的深入研究。本研究合成了四种源自生物质和化学合成前体的结构各异的碳量子点，用以探究它们与小牛胸腺DNA的相互作用。通过对这四种碳量子点进行紫外-可见光谱分析、荧光光谱分析、傅里叶变换红外光谱分析、X射线衍射分析、动态光散射分析、Zeta电位测定、透射电子显微镜观察、能谱分析以及X射线光电子能谱分析，对其特性进行了全面表征。随后通过紫外-可见吸收滴定法、竞争性荧光置换试验、圆二色光谱分析以及循环伏安法研究了这些碳量子点与DNA的相互作用。源自生物质的洋葱和番茄碳量子点在283.5纳米处呈现出明显的紫外吸收峰，同时具有负Zeta电位，并通过π键介导的表面作用与DNA结合；而化学合成的硫脲和L-半胱氨酸碳量子点则在338纳米和332纳米处有明显的紫外吸收峰，表面带正电荷，通过与DNA之间的静电作用及沟槽定向结合实现相互作用。在四种碳量子点中，硫脲和L-半胱氨酸碳量子点与DNA的结合亲和力最高（K_b = 1.77×10⁶ M^?1）。所有DNA相互作用研究的结果均表明，这类相互作用主要为非嵌入型。本研究有助于深化我们对纳米生物识别机制的理解，进而为设计用于特定生物医学应用的碳量子点基系统提供理论支撑。

引言

纳米材料与核酸之间的相互作用构成了纳米生物界面的基本要素，而这些界面则是从生物传感、生物成像、基因递送、抗菌治疗到纳米安全性评估等众多应用的基础[1]。作为主要的遗传信息载体，DNA极易受到环境变化的影响[2]、[3]、[4]。DNA的转录、复制以及分子识别功能都可能因DNA结构的轻微损伤或与其他分子的结合而发生改变[5]、[6]。因此，了解纳米材料与DNA复合物的形成机制具有双重意义：它既有助于提升现有技术的性能，也是进行生物风险评估的重要步骤。

由于体积极小（小于10纳米）、具有可调节的发光特性、良好的水溶性、化学稳定性以及丰富的表面功能，碳量子点作为零维纳米材料家族的一员，近年来受到了广泛关注[7]、[8]、[9]。正是凭借这些优异特性，碳量子点因其高生物相容性、易于表面功能化以及可调节的荧光性质，被广泛应用于荧光生物传感、细胞成像、药物递送、基因递送、诊疗一体化系统以及抗菌剂等领域[10]、[11]。近期研究还表明，碳量子点可成功整合到纳米生物杂交系统中，用于实现靶向核酸递送和细胞转染，进一步凸显了其作为功能性生物界面的潜力[10]。此外，碳量子点与生物大分子之间的相互作用还会影响生物分子的结构和功能，这也凸显了从分子层面理解纳米生物识别机制的重要性。因此，明确影响碳量子点与DNA相互作用的因素，对于合理设计具有特定功能的碳量子点平台至关重要[11]。羟基、羧基等含氧基团，以及胺基等含氮基团和其他含杂原子基团，不仅决定了碳量子点的光学特性，也决定了它们与生物大分子的相互作用方式[12]、[13]、[14]。然而，由不同前体形成的碳量子点表面化学性质究竟如何影响其与DNA的结合，目前仍不明确。虽然有一些研究已经展示了某种特定碳量子点系统与DNA的相互作用[11]、[15]，但这些研究大多仅采用了一种合成方法，因此难以确定前体如何影响结合亲和力、结合模式以及结合强度。尽管生物质来源的碳量子点与化学合成碳量子点在电子结构、元素组成以及官能团分布方面存在显著差异，但目前针对这两类碳量子点的比较研究仍然不足。因此，本研究的创新之处并不在于直接展示碳量子点与DNA的相互作用，而在于建立了一个将前体化学性质与碳量子点的物理化学性质及其后续DNA识别行为联系起来的比较框架。这种基于前体差异的结构-活性关系，有望为设计具有定制化纳米生物相互作用特性的碳量子点提供重要参考。

通过检测颜色深浅变化或光谱位移，可以利用紫外-可见吸收滴定法追踪DNA结构的变化[16]、[17]。借助贝内西-希尔德布兰德分析等定量模型，还可以计算出表观结合常数，从而了解相互作用的相对强度[11]。通过霍伊赫斯特33258这类小沟结合配体进行的光谱竞争性滴定法，能够进一步揭示DNA结合的具体模式[18]、[19]，这种方法是通过观察荧光强度的变化来实现的[20]。

本研究旨在通过系统比较，区分源自生物质和化学合成的碳量子点在核酸识别方面的差异。研究认为，不同前体所决定的表面特性会导致碳量子点与DNA的结合强度、沟槽选择性和静电结合行为存在差异。我们合成了四种不同的碳量子点变体，并对其进行了全面表征，随后通过紫外-可见吸收滴定法、定量结合分析、竞争性荧光置换试验、圆二色光谱分析以及循环伏安法，研究了它们与小牛胸腺DNA的相互作用。通过将电子结构、表面化学性质、电荷分布以及结合行为相互关联，本研究建立了前体化学性质与其对应的DNA亲和力及相互作用模式之间的比较关系。

章节要点

材料

本研究中所用的新鲜番茄（Solanum lycopersicum）和洋葱（Allium cepa）购自印度新德里的商业供应商，用作绿色合成碳量子点的生物质前体。至于化学前体，则为柠檬酸（纯度99.5%）、硫脲（纯度98%）和L-半胱氨酸（纯度99%），这些均购自印度Sisco Research Laboratories Pvt. Ltd.公司。其他所有分析级试剂，如小牛胸腺DNA、霍伊赫斯特33258染料（纯度98%）以及其他化学物质，则购自美国的Sigma化学品公司。

在紫外透射光源下的初步光学验证

在可见光照射下，所有碳量子点均呈现红色至棕褐色。在365纳米波长的紫外透射光源下，所有合成的碳量子点分散液均显示出绿色的荧光，这一现象如图2的插图所示。源自生物质的番茄和洋葱碳量子点与化学合成的硫脲和L-半胱氨酸碳量子点在荧光颜色和亮度上存在显著差异：化学合成的碳量子点发出的绿色荧光强度要远高于那些荧光强度较低的生物质来源碳量子点。

结论

在本研究中，我们采用了一步水热合成法，分别以生物质来源的前体和化学合成前体制备了四种不同的碳量子点。为了研究这些碳量子点与DNA的相互作用及其纳米生物识别行为，我们运用了多种物理化学分析方法对它们进行了全面表征。

CRediT作者贡献说明

萨克希·潘迪：文献综述与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念构建。艾什瓦里亚·阿尔文德：文献综述与编辑。尼基塔·亚达夫：文献综述与编辑。阿米特·辛格：文献综述与编辑。马希玛·考希克：文献综述与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、实验监督、软件使用、资源协调、项目管理、方法设计、实验研究、资金申请。

未引用参考文献

[47]、[50]、[51]、[53]、[54]、[55]、[56]

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了印度德里大学卓越研究计划（FRP）的资助，该计划隶属于卓越研究所（IoE），项目编号为IoE/2025-2026/12/FRP。同时，我们还要感谢德里大学北校区的大学科学仪器中心、化学系，以及德里北校区的CSIR基因组与整合生物学研究所，感谢他们为我们提供了必要的仪器使用支持。

萨克希·潘迪|艾什瓦里亚·阿尔文德|尼基塔·亚达夫|阿米特·辛格|马希玛·考希克