从甘蔗渣中可持续合成碳点，用于防伪和抗菌应用

《Next Materials》：Sustainable synthesis of carbon dots from sugarcane bagasse for anti-counterfeiting and antimicrobial applications

　　朱琳·约瑟夫 | 阿图利亚·阿贾伊 | 西西·瓦尔吉斯 | 宝辛·约翰 | 平基·切里安
印度喀拉拉邦阿拉普扎市圣约瑟夫女子学院物理系，PG

**摘要**
通过一种可持续的微波辅助水解路线，使用丰富的农业废弃物——甘蔗渣作为唯一的碳前驱体，合成了室温磷光（RTP）活性碳点（CDs）。与依赖有毒化学物质或需要预先从生物质中提取小分子中间体的传统方法不同，这种方法能够将原始天然残留物一步转化为功能性碳点，提供了一种成本低廉且环境友好的替代方案。迄今为止，直接利用未经处理的生物质来合成RTP活性CDs的研究很少，仅有基于稻壳的单一报道。采用各种表征技术揭示了合成量子点的形态、化学组成和官能团信息。合成的碳点在电磁谱的蓝色区域显示出优异的荧光，量子产率为52%。当这些碳点被嵌入到钾明矾基质中后，在紫外光照射下会呈现蓝色荧光，并在紫外光停止后持续发出磷光（634 ms），证实了三重态的有效稳定。此外，还评估了这些碳点的抗菌活性，发现其对大肠杆菌的抗菌效果优于金黄色葡萄球菌。这些发现突显了当前合成方法在将天然生物质废弃物转化为多功能、高附加值纳米材料方面的有效性。

1. **引言**
碳点（CDs）作为纳米碳家族中一个新兴但已确立的成员，在多个跨学科领域具有深远意义。它们独特的吸引人特性，包括强吸收、高量子产率、光稳定性和良好的生物相容性，使其在光子学、能量转换、环境保护、农业改进和医疗应用等方面具有广泛用途[1][2][3][4][5]。碳点的高发光性和独特的抗菌机制使其在白光生成、防伪和伤口愈合等领域得到研究[6]。最近，发光碳点在化学传感器、生物成像、纳米医学、发光二极管（LED）和电催化等领域受到了广泛关注[7][8][9][10]。

碳点的合成策略大致分为自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）两种方法，前者基于将块状碳源转化为纳米级颗粒，后者基于从分子前驱体组装碳点。自上而下的方法包括电弧放电、激光烧蚀、电化学氧化和大碳结构的化学氧化；而自下而上的方法包括水热法、溶热法、微波辅助法、热解法、醛缩聚法、超声法和熔盐法[11]。另一方面，从生物质（尤其是农业废弃物、 fruit提取物和其他自然资源）合成碳点的可持续实践得到了广泛推广[3]。

甘蔗渣是榨汁后留下的农业副产品，产量大，常被视为农民的处置难题[12]。值得注意的是，甘蔗渣具有多种优势特性，如可生物降解性、可再生性、成本效益和天然丰富性。近年来，人们越来越关注将其用于合成硝酸纤维素、碳点、氧化石墨烯纳米片和基于纤维素的水凝胶等纳米材料，凸显了其作为先进材料应用中可持续前驱体的潜力[13][14][15]。尽管这些由甘蔗渣衍生的碳点以其荧光性能而闻名，但关于其磷光性能（尤其是室温磷光RTP）的报道仍然较少[16][17][18]。迄今为止，稻壳是唯一已知的用于合成RTP发射碳点的天然生物质前驱体[19]。尽管已有大量使用间苯二胺、天冬氨酸和马来酸等分子前驱体生产磷光碳点的报道[6][20][21][22][23][24][25]，但关于从生物质来源合成室温磷光（RTP）CDs的报道仍然有限。RTP材料在光电学、防伪和传感等应用中非常受欢迎[20][21]。目前的室温磷光材料基于含有重金属的有机金属配合物和专门设计的有机化合物（使用过渡金属和稀土金属）。但由于这些材料的稀缺性和毒性以及复杂的制备过程，需要一种简单、低成本的合成策略来制备室温磷光材料[20]。2020年，孙等人设计了一种多限制碳点，其最大发光寿命为5.72秒，磷光量子效率达到26.36%[19]。尽管有许多优点，但基于碳点的RTP材料仍面临一些挑战，如衰减寿命短、磷光量子效率低（PQE）稳定性差，以及合成过程复杂和前驱体材料的残留影响[26]。因此，探索新的低成本且易于实现的合成路线以生成具有长寿命、高效率和优异稳定性的RTP材料是非常必要的。

最近的进展表明，从生物废弃物合成的碳点具有强大的抗菌活性，为传统抗生素提供了可持续且有效的替代方案[27]。生物合成的碳点表现出广谱抗菌效果，特别是对多重耐药菌株具有作用，通过诱导氧化应激和破坏细菌细胞膜[28]。采用农业废弃物等可再生资源的绿色合成方法制备的碳点具有独特的表面功能，即使在高浓度下也能对细菌产生超过90%的抑制效果[29]。例如，从姜黄素和乙二胺合成的姜黄素衍生物碳点（Cur-CDs）不仅解决了姜黄素溶解度低和不稳定的问题，还表现出对多种细菌病原体（包括大肠杆菌、铜绿假单胞菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的增强抗菌性能[30]。同样，使用左氟沙星、姜黄素和茶多酚组合制成的混合碳点（Cur-TP@CDs和Lf-TP@CDs）也显示出强大的抗菌作用，其中Lf-TP@CDs对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效果尤为显著[31]。

在本研究中，我们报道了使用甘蔗渣作为碳源的微波辅助合成RTP活性CDs的方法。研究了这些碳点的RTP性能以及固体基质对增强三重态稳定性、防止非辐射失活的作用。选择甘蔗渣是因为其广泛可用、成本低且碳含量丰富，是一个有吸引力的环保前驱体。这些碳点表现出磷光行为，扩展了生物质衍生纳米材料的应用范围，为防伪、安全油墨和生物成像等领域开辟了新的应用途径。除了光致发光性能外，这些合成的碳点还表现出显著的抗菌活性，尤其是对大肠杆菌，展示了其在光学和生物医学应用中的多功能潜力。

2. **实验**
2.1. **材料与试剂**
本实验中使用的NaOH和HCl均购自Merck Millipore（印度）。薄膜过滤器也从Merck Millipore购买。农业废弃物甘蔗渣在当地收集。
2.2. **CDs的合成**
采用碱催化的水解方法合成碳点。称取0.125克甘蔗渣，加入20毫升3摩尔浓度的水合氢氧化钠溶液中，并以400转/分钟的速度搅拌一小时以促进生物质水解。使用的是家用微波炉Bajaj 1701MT。然后将该样品在600瓦的微波下照射5分钟。照射后，溶液颜色从无色变为深棕色。再向样品中加入5毫升蒸馏水，并通过逐滴加入盐酸HCl进行中和。所得悬浮液在13,000转/分钟的速度下离心30分钟以去除非荧光成分。收集上清液，并使用分子量截留值为1 kDa的透析膜进行透析。透析管内的样品用于进一步研究。图1展示了碳点合成的示意图。

2.3. **CDs/钾明矾复合材料的合成**
通过将5克钾明矾与10毫升水混合制备CDs/钾明矾复合材料。然后向钾明矾中加入5毫升2毫克/毫升浓度的CDs水溶液，在500转/分钟的磁力搅拌下反应约2小时。接着在90°C下用加热板缓慢蒸发水分。所得粉末（CDs/钾明矾复合材料）用于磷光测量。
2.4. **抗菌研究**
2.4.1 **测试菌株的制备**
本实验使用了标准测试菌株金黄色葡萄球菌（Himedia）和大肠杆菌（Himedia）。菌株保存在4°C的营养琼脂斜面上。在进行抗菌测试之前，将每个菌株接种到Luria–Bertani（LB）培养基中，在37°C下振荡培养过夜。对过夜培养的0.5 McFarland标准菌液进行抗菌敏感性测试（AST）。
2.4.2 **LB-琼脂平板**
称取5克LB培养基和3克琼脂，加入200毫升水中充分混合直至LB粉末完全溶解。培养基在15 psi（1.05 kg/cm2）的压力下高压灭菌20分钟。灭菌后，将培养基冷却至50°C。然后将25毫升LB培养基分别倒入无菌层流空气室内的培养皿中。让培养皿固化30分钟。固化后，一个培养皿接种100微升过夜培养的大肠杆菌悬浮液，另一个培养皿接种100微升过夜培养的金黄色葡萄球菌悬浮液。使用无菌玻璃L-棒进行涂布平板技术以确保细菌均匀生长。封闭培养皿后，让细菌悬浮液吸收培养基。保持培养皿10-15分钟不变。
2.4.3 **在LB-琼脂平板上创建孔洞**
为了研究琼脂孔洞的扩散行为，使用直径为六毫米的微尖在固化的LB-琼脂平板上创建孔洞。每个平板创建四个孔洞。在一个接种了大肠杆菌的平板上，分别加入未稀释的样品（100%）、1:1稀释的样品（非无菌）、抗生素氨苄西林（50微克/毫升）作为阳性对照，以及无菌水作为阴性对照。在另一个接种了大肠杆菌的平板上，分别加入微滤灭菌样品（100%）、1:1稀释的灭菌样品、抗生素氨苄西林作为阳性对照以及无菌水作为阴性对照。每个孔洞加入60微升样品。接种了金黄色葡萄球菌的LB-琼脂平板也按照同样的模式添加化合物。培养皿在37°C下培养过夜。抗菌活性通过以下公式计算：ZOI = 抑制生长区的总直径 - 孔洞直径。
2.5. **仪器**
使用JEOL JEM-2100 F（日本）进行透射电子显微镜（TEM）成像。X射线光电子光谱（XPS）在PHI spectrometer（型号：5000 Versa Probe II，FEI Inc系统）上进行。使用Perkin Elmer FT-IR光谱仪在ATR模式下研究CDs的表面官能团。紫外-可见吸收在Perkin Elmer Lambda 35光谱仪上进行测量。荧光和磷光测量由Perkin Elmer LS 55光谱仪完成。

3. **结果与讨论**
透射电子显微镜（TEM）用于研究合成碳点（CDs）的形态。研究显示CDs的平均直径为8.83纳米，如图S1a所示。颗粒大小分布见图S1b。选区电子衍射（SAED）图案（图S1b）表明CDs为非晶态。

为了进一步评估颗粒大小分布，使用CDs的水分散液进行了动态光散射（DLS）测量。结果表明其流体动力学直径约为10.8纳米，见图S2。

通过FTIR光谱分析了CDs的化学结构和表面官能团。图S3展示了碳点的FTIR光谱谱图。特征吸收峰出现在3321厘米?1处的–OH基团，CO和CC的伸缩振动分别出现在1643厘米?1和1571厘米?1[32]。1395厘米?1处的峰表示C–O伸缩，984厘米?1处的吸收是由于C–H键的平面外弯曲。XPS分析用于评估合成CDs的元素组成和结构。记录的谱图显示两个峰值，一个对应碳C1s在283.5电子伏特，另一个对应氧O1s在529.5电子伏特。碳的元素百分比为约63.8%，氧的元素百分比为约36.2%。去卷积后的C1 s峰表明了C-C/CC峰位于283 eV，CO峰位于284.7 eV，286.5 eV是由于C-OH，以及287.6 eV是由于CO。O1 s峰可以分解为530.3 eV（CO）和531 eV（C–O–C/C–OH）的峰[24]。不同曲线下的面积被估算并标准化，以确定不同键的百分比（表S1）。结果表明，含氧官能团（C–O、CO和C–OH）比CC基团更为丰富，这表明表面氧化程度更高。图2a显示的CDs的水分散体的紫外-可见吸收光谱呈现出一个宽峰，范围从250 nm到400 nm，这归因于CDs表面的官能团[24]。荧光发射光谱显示，随着激发波长从340 nm增加到410 nm，CDs的荧光强度逐渐增强，然后随着激发波长变长而减弱。碳点（CDs）的发射峰从435 nm红移至513 nm，这表明了激发依赖的光致发光行为。使用奎宁硫酸盐作为参考标准，通过比较方法确定了CDs的荧光量子产率（QY），约为52%。使用颜色计算软件得到的发射光谱的CIE颜色坐标约为（0.1582, 0.1747），并显示在图2c中，位于颜色空间的蓝绿色区域。此外，还采用了时间相关的单光子计数（TCSPC）分析来确定CDs的荧光寿命，估计约为2.72 ns，如图2d所示。