源于水果的碳点：荧光与活性氧生成协同用于癌症诊疗的一体化策略

《RSC Advances》：Carbon dots from natural sources as theranostic agents: integrating fluorescence and ROS generation for photodynamic therapy

本研究为解决如何平衡碳点(CDs)的荧光成像与光动力治疗(PDT)性能的问题，通过对西瓜、草莓、蓝莓三种水果源碳点进行氮掺杂对比，发现氮掺杂可显著提升荧光量子产率但降低单线态氧(ROS)生成，首次揭示了荧光与ROS生成间的“此消彼长”关系，为可精准调控的诊疗一体化平台设计提供了关键依据。

　　

在纳米医学领域，碳点(Carbon Dots, CDs)作为一种新兴的碳基纳米材料，凭借其优异的生物相容性、可调的荧光特性以及产生活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)的能力，在疾病诊断与治疗（即诊疗一体化）方面展现出巨大潜力。特别是利用水果等天然原料通过绿色合成法制备碳点，不仅成本低廉、环境友好，还可能因其独特的化学成分而赋予材料特殊的性能。然而，一个核心的科学挑战一直悬而未决：碳点的荧光性能（用于生物成像）和ROS生成能力（用于光动力治疗）常常难以兼得。如何通过设计合成策略，精确调控这两种关键性能的平衡，从而开发出高效、多功能的诊疗一体化纳米平台，成为该领域亟待突破的瓶颈。

针对上述问题，来自阿根廷的研究团队在《RSC Advances》上发表了一项开创性研究。他们系统性地探索了三种常见水果（西瓜、草莓、蓝莓）作为碳源，并通过尿素氮掺杂改性，深入研究了碳源与掺杂策略如何协同决定碳点的最终性能。这项研究不仅揭示了氮掺杂在调控碳点光物理化学性质中的关键作用与内在机理，更为按需定制具有特定诊疗功能的碳点材料提供了清晰的路线图。

为开展此项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先，采用溶剂热法，以三种水果提取物为前驱体，分别合成未掺杂及氮掺杂（30%尿素）的碳点，并进行透析纯化。其次，利用高分辨透射电镜(HRTEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和Zeta电位等手段对碳点的形貌、尺寸、表面化学和元素组成进行了系统表征。接着，通过荧光光谱、时间分辨荧光衰减和化学探针法（如ABDA）分别测定了碳点的荧光量子产率(Φ_PL)和单线态氧量子产率(Φ_O)。然后，通过荧光猝灭实验研究了碳点与模型蛋白牛血清白蛋白(BSA)的相互作用，计算了Stern-Volmer猝灭常数(K_SV)。最后，以人黑色素瘤细胞系(SK-Mel-28)为模型，通过MTT法评估了碳点在暗处及不同光源（450 nm LED灯，405 nm激光）照射下的细胞毒性，验证其光动力治疗效果。

结果与讨论

3.1 表征

通过形貌与成分分析发现，所有碳点尺寸均一（2-8纳米），并观察到0.21纳米的晶格条纹。Zeta电位因碳源而异，草莓源碳点最负。傅里叶变换红外光谱(FTIR)显示所有样品均含有C-O、C-N、C=O及O-H/N-H等官能团。XPS分析证实，氮掺杂成功引入了氮元素（N/C比约0.2），并主要以吡咯氮和吡啶氮形式存在，其中掺杂西瓜碳点(dW-CDs)的C-N组分比例最高。这些表面化学性质的差异为后续光物理性质的差异奠定了基础。

3.2 光物理性质

研究发现，氮掺杂导致碳点的激发和发射峰均发生蓝移（即向更短波长移动），例如蓝莓碳点从未掺杂的360/443 nm移至掺杂后的325/415 nm。这归因于氮原子的引入改变了碳核的电子结构，增大了光学带隙。同时，所有氮掺杂碳点的荧光寿命（约8.7纳秒）均长于未掺杂碳点（约6.7纳秒），表明其激发态更稳定。

?1. (b) Normalized emission (colored line) and excitation (black line) spectra of watermelon-derived (up), blueberry-derived (middle) and strawberry-derived (bottom) CDs at 0.1 mg mL^?1in water. Dotted line indicates doped CDs and black arrows show the peak shifts. The fluorescence peaks are the values in Table 2.">

3.3 量子产率计算

本研究得出了一个关键结论：氮掺杂在提升荧光性能的同时，会削弱其光动力治疗潜力。具体数据显示，所有氮掺杂碳点的荧光量子产率(Φ_PL)均高于其未掺杂对应物，尤其是掺杂西瓜碳点(dW-CDs)从1.07%大幅提升至4.24%。然而，其单线态氧量子产率(Φ_O)却呈现相反趋势，未掺杂蓝莓碳点(B-CDs)的Φ_O最高（29.37%），而对应的氮掺杂碳点(dB-CDs)则急剧下降至2.26%。这清晰地揭示了荧光与ROS生成之间存在“此消彼长”的竞争关系。研究人员将此归因于氮掺杂（尤其是表面吡咯和氨基基团）更倾向于促进辐射复合（即发光）路径，从而抑制了形成三重态激发态进而产生单线态氧的非辐射跃迁路径。

3.4 与BSA的相互作用

通过研究碳点与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用，发现所有碳点都能导致BSA的荧光猝灭，且猝灭曲线符合Stern-Volmer线性关系，表明存在静态或动态猝灭机制。其中，氮掺杂蓝莓碳点(dB-CDs)与BSA的亲和常数(K_SV)最高，达到1.75 × 10⁷M^?1，表明其与蛋白质结合能力强。此外，只有氮掺杂碳点在与BSA共存时，在400-600 nm区间出现了与碳点浓度成正比的荧光增强现象，这源于BSA的发射峰（~340 nm）与氮掺杂碳点的激发峰（320-350 nm）重叠，暗示可能存在荧光共振能量转移(FRET)，这为设计基于能量转移的生物传感或成像探针提供了线索。

?1 is equivalent to 5.3 μM of B-CDs and 0.15 μM of dB-CDs. Inset: normalized fluorescence emission of BSA solution at 290 nm excitation (black curve, 340 nm emission) and excitation spectrum of CDs (violet curve, peak excitation in violet number). Fluorescence is shown as mean (n = 4). (c and d) Stern–Volmer plots of I_BSA/I_Sampleof BSA (5 μM) as a function of CD concentration: watermelon-derived (green), blueberry-derived (blue) and strawberry-derived (red), under (c) undoped and (d) doped conditions.">

3.5 细胞毒性实验

细胞实验验证了上述光化学性质的生物学意义。在黑暗条件下，未掺杂的西瓜和蓝莓碳点在0.1 mg mL^?1浓度下对SK-Mel-28细胞无显著毒性，而草莓碳点(S-CDs)在所有测试浓度下均显示出本征细胞毒性，因此被排除在后续光照实验外。在光照条件下，未掺杂的西瓜碳点(W-CDs)和蓝莓碳点(B-CDs)在405 nm激光照射下均能显著降低细胞活力，且蓝莓碳点在450 nm LED照射下也表现出光毒性。重要的是，所有氮掺杂碳点在光照下均未引发光毒性，这与它们较低的单线态氧产率结果一致。实验排除了光热效应的可能，证实细胞毒性源于ROS介导的光动力效应。

?1. The LED lamp irradiation was 450 nm for 10 min. The laser irradiation was 405 ± 10 nm for 1 min with an intensity of 50 mW. All viability assays were measured by MTT assay and these are shown as mean ± SD (n = 4) (p < 0.05) (p < 0.01) (p < 0.001) (**p < 0.0001). NC = negative control.">

结论与展望

本研究通过系统对比三种水果源碳点及其氮掺杂产物的性质，得出了若干具有重要指导意义的结论。首先，研究明确证实，通过尿素进行氮掺杂是调控碳点性能的有效策略：它能显著增强碳点的荧光亮度和寿命（有利于成像），但会以降低其单线态氧生成效率（不利于治疗）为代价。这种权衡关系源于氮掺杂（特别是表面吡咯和吡啶氮基团）改变了电子结构，更有利于辐射复合而非经系间窜越产生三重态。其次，碳源本身对最终性能有决定性影响，例如未掺杂蓝莓碳点表现出最高的单线态氧量子产率，而草莓源碳点则具有细胞毒性，这可能源于其水果前体独特的化学成分。

这些发现为设计下一代诊疗一体化纳米平台提供了清晰的逻辑：可以根据不同应用场景“按需配方”。例如，高荧光、低光毒性的氮掺杂碳点（如dW-CDs）非常适合用于长期细胞示踪和诊断性生物成像；而高ROS产率的未掺杂碳点（如B-CDs）则是实施靶向光动力治疗或作为光激活抗菌剂的理想选择。研究人员前瞻性地提出，将高荧光的氮掺杂西瓜碳点与高治疗活性的未掺杂蓝莓碳点结合使用，或许能构建出一种同时最大化成像和治疗性能的协同平台。

总之，这项工作不仅深化了我们对天然源碳点“结构-性能-功能”关系的理解，更重要的是，它提供了一种通过绿色、可持续的合成方法，精准定制具有特定诊疗功能纳米材料的可行性方案，为推进碳点在癌症诊疗等生物医学领域的实际应用迈出了关键一步。