从火焰树中提取碳量子点的微波与碱性协同绿色合成：表面化学依赖性抗菌机制与血液相容性

《Diamond and Related Materials》：Green synthesis of microwave- and alkaline-assisted carbon quantum dots from Tecoma stans: Surface chemistry-dependent antibacterial mechanisms and hemocompatibility

　　

通过微波和碱法路线从 Tecoma stans 中绿色合成CQDs。碱处理增强了表面氧化程度和石墨结晶度。Alk.CQDs实现了卓越的抗菌和抗糖尿病活性。确认了高的血液相容性，具有潜在的生物医学应用价值。

引言

碳量子点（CQDs）作为一种零维碳纳米材料，凭借其可调的光致发光、优异的水分散性、高化学稳定性、低毒性和出色的生物相容性，已成为一类极具前景的材料[1]。CQDs的粒径通常小于10 nm，由sp2杂化碳核和丰富的含氧表面官能团组成，这些官能团强烈影响其光学、电子和化学性质[2]。自碳纳米管纯化过程中意外发现以来，CQDs因其卓越的 photostability、电化学发光、多光子激发能力和可控荧光发射而引起了巨大的研究兴趣[3], [4]。其简便的合成方法、低生产成本和环境友好性使其成为传统半导体量子点的理想替代品，适用于众多技术和生物医学应用[5]。

CQDs独特的光学性质源于量子限域效应、表面态发射和异原子诱导的电子调控的组合[6], [7]。在生物质基CQDs中，天然存在的植物化学物质不仅作为碳前驱体，还作为高效的表面钝化剂，引入含氧官能团和局域电子态，通过修饰石墨碳核的π–π*跃迁来调控光学带隙和荧光行为[8], [9]。这些独特的光学特性促进了CQDs在荧光传感、生物成像、光催化、光电子器件、药物递送和能量转换系统中的广泛应用[10], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]。近年来，CQD工程领域的进展表明，精确的表面和异原子修饰可以显著拓宽其功能应用。氟和氯共掺杂的碳量子点（F, Cl-CQDs）表现出增强的抗氧化活性以及改善的生物成像荧光性能[11]。此外，将功能化CQDs纳入聚氨酯基质中已成为开发多功能抗菌材料的有效策略。氮掺杂的碳量子点、伽马射线修饰的石墨烯量子点和原花青素衍生的CQDs嵌入聚氨酯复合膜中，表现出卓越的抗生物污染性能、高效的细菌生物膜抑制作用和出色的生物相容性[12], [13]。同样，疏水性核黄素衍生的碳聚合物点通过改善与细菌膜的界面相互作用而表现出增强的抗菌效果[14]。与此同时，光激活的石墨烯基纳米材料和伽马射线修饰的碳量子点通过产生局域氧化应激，对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌均表现出广谱抗菌活性，突显了碳基量子纳米材料作为传统抗菌剂替代品的巨大潜力[15], [16]。

CQD工程领域的最新进展表明，精确的表面和异原子修饰可以显著拓宽其功能应用。氟和氯共掺杂的碳量子点（F, Cl-CQDs）表现出增强的抗氧化活性以及改善的生物成像荧光性能[11]。此外，将功能化CQDs纳入聚氨酯基质中已成为开发多功能抗菌材料的有效策略。氮掺杂的碳量子点、伽马射线修饰的石墨烯量子点和原花青素衍生的CQDs嵌入聚氨酯复合膜中，表现出卓越的抗生物污染性能、高效的细菌生物膜抑制作用和出色的生物相容性[12], [13]。同样，疏水性核黄素衍生的碳聚合物点通过改善与细菌膜的界面相互作用而表现出增强的抗菌效果[14]。与此同时，光激活的石墨烯基纳米材料和伽马射线修饰的碳量子点通过产生局域氧化应激，对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌均表现出广谱抗菌活性，突显了碳基量子纳米材料作为传统抗菌剂替代品的巨大潜力[15], [16]。

此外，氮、硫、磷、硼和卤素的异原子掺杂已被广泛用于调控CQDs的电子结构，从而改善其荧光量子产率、电荷转移特性和催化效率[26], [27]。

CQDs的理化特性强烈依赖于合成策略和碳前驱体的性质。传统的自上而下和自下而上的制备方法，包括电弧放电、激光烧蚀、化学氧化、水热和微波辅助合成，通常需要苛刻的反应条件、有毒试剂或高能耗，从而限制了其可持续性[28]。因此，越来越多的注意力转向了利用可再生生物质资源的绿色合成方法，这些资源提供了丰富的碳源以及天然存在的植物化学物质，可以在不使用有害化学品的情况下促进碳化和表面功能化[28]。

在可再生植物资源中，Tecoma stans因其丰富的植物化学物质组成而引起了越来越多的关注，包括黄酮类化合物、生物碱、酚酸、萜类和其他生物活性代谢物，这些物质可以在CQD合成过程中同时充当碳前驱体和天然表面功能化剂[29], [30], [31]。除了其植物化学物质的丰富性外，Tecoma stans还具有充分记载的抗氧化、抗菌、抗炎和抗糖尿病活性，使其成为制备具有生物活性的碳纳米材料的理想候选材料[32]。然而，尽管其具有重要的药用价值，Tecoma stans作为可再生前驱体用于多功能CQDs的绿色合成仍然很大程度上未被探索[33]。

合成路线在决定生物质衍生的CQDs的粒径、结晶度、表面化学、光学行为和生物性能方面起着决定性作用[34]。微波辅助合成通过均匀体积加热提供快速且节能的碳化，而碱辅助合成促进酚类和羧基的脱质子化，促进增强的碳化并形成富含氧的表面官能团，改善胶体稳定性和生物界面相互作用[35], [36]。因此，比较这些绿色合成路线对于理解合成条件如何影响CQDs的结构-性能关系至关重要。

据我们所知，本研究首次系统比较了Tecoma stans衍生的碳量子点（CQDs）的微波辅助和碱辅助绿色合成，特别强调阐明合成策略、表面化学、光致发光行为和多功能生物活性之间的关系。在本研究中，成功利用微波辅助和碱辅助绿色合成方法从Tecoma stans叶提取物中合成了CQDs。利用紫外-可见光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱、光致发光（PL）光谱和X射线光电子能谱（XPS）系统研究了合成路线对合成CQDs形貌、结晶度、表面化学和光学性质的影响。此外，通过抗氧化、抗菌、抗糖尿病酶抑制和血液相容性试验全面评估了CQDs的多功能生物性能，以建立合成路线、理化特性和生物活性之间的相关性。本研究的结果为可持续、生物质衍生的CQDs的理性设计提供了有价值的见解，这些CQDs具有可调的理化特性和增强的多功能性能，从而突显了其在未来生物医学、环境和纳米生物技术应用中的潜力。

化学物质和试剂

分析级液态氨（25%）、柠檬酸（99%纯度）、去离子（DI）水和透析膜购自Sigma-Aldrich，未经进一步纯化即使用。所有溶液均使用去离子蒸馏水配制。

植物材料的获取和制备

新鲜的 Tecoma stans叶片于2025年4月采集自印度卡纳塔克邦Ballari。该植物已在甘地农业知识中心（GKVK）、孟加拉鲁尔农业科学大学标本馆进行了认证（凭证号UASB5636）。叶片...

Mw.CQDs和Alk.CQDs的详细表征

利用互补分析技术对合成的Mw.CQDs和Alk.CQDs的结构、光学、形貌和表面化学性质进行了表征。利用紫外-可见分光光度计（PerkinElmer Lambda 25）记录紫外-可见吸收光谱（200–400 nm），以评估光学吸收并通过Tauc图分析估算光学带隙。利用PerkinElmer光谱仪（400–4000 cm?1）获得傅里叶变换红外（FTIR）光谱，以识别表面官能团...

碳量子点的光学性质和电子跃迁

利用紫外-可见吸收光谱研究了Mw.CQDs和Alk.CQDs的光学性质，相应的光谱展示于图2a, b。两个样品均在紫外区域显示出特征吸收带，在240–260 nm附近有一个峰，对应于芳香族CC键的π → π*跃迁，在310–330 nm附近有一个肩峰，归因于CO表面官能团的n → π*跃迁[43]。光学带隙（Eg）通过Tauc图法确定...

结论

成功通过微波辅助（Mw.CQDs）和碱辅助（Alk.CQDs）绿色路线从 Tecoma stans叶提取物中合成了碳量子点。合成方法显著影响了CQDs的结构、表面、光学和生物性质。Alk.CQDs表现出更高的表面氧化度、改善的石墨有序性、增强的抗菌和酶抑制活性，而Mw.CQDs表现出卓越的抗氧化性能。两种CQDs均表现出有效的...

CRediT作者贡献声明

P.G. Thejeswini：原创草稿撰写，软件，方法学，数据整理，概念化。Monica K.J. Nidhi：软件，方法学，调查研究，概念化。A. Ganesh：方法学，调查研究，概念化。V. Arunakumara：方法学，调查研究。V.B. Ajay：方法学，调查研究。Karthik Reddy H.K：软件，调查研究。H. Shivaraj：软件，方法学。A.R. Yuvaraj：调查研究，方法学。P. Latheef：调查研究，方法学。T. Manjunatha：...

利益冲突声明

作者声明在本文中不存在利益冲突。

致谢

作者衷心感谢其他落后阶级（OBC）福利部门对TPG的财政支持，卡纳塔克邦政府科学与科学技术政策司（KSTePS）对MKJN的财政支持，新德里科学和生物技术研究部BT/PR39041/TRM/120/472/2020（CN.19238）对URB的财政支持，以及印度Anusandhan国家研究基金会（ANRF）在PAIR（加速创新和研究伙伴关系）方案下提供的财政支持（项目编号...）。

P.G. Thejeswini|Monica K.J. Nidhi|A. Ganesh|V. Arunakumara|V.B. Ajay|Karthik Reddy H.K|H. Shivaraj|A.R. Yuvaraj|P. Latheef|T. Manjunatha|Khadke Udaykumar|Basavaraj Angadi|B. Uma Reddy