济大团队制备红光碳点，成功定位细胞成像中的脂滴

近日，济南大学的谢政教授和关瑞芳教授、左育静副教授等团队通过合作，以共轭稠环碳源 1,8-二氨基萘和柠檬酸为原料，通过共溶剂热法制备出一种红光碳点，实现了对于细胞成像中脂滴的定位，以及对细胞中血红素的原位实时监测。

图 | 谢政（来源：谢政）

此外，作者利用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵、阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠对合成的红光碳点进行表面功能化改性，大幅度提高了红光碳点的荧光量子产率（近 100 倍）和水中的溶解度，而且对 ClO− 和 Cu2+ 分别表现出较高的选择性和灵敏度。

进一步机理研究表明：表面活性剂的添加通过分散或聚集增强了碳点的光致发光性能。此外，十六烷基三甲基溴化铵功能化的红光碳点对 ClO− 表现出高灵敏度，而十二烷基硫酸钠对 Cu2+ 表现出高选择性。

最后，通过对各种类型的红光碳点的研究，最终发现该方法适用于于具有氨基和羧基等特定官能团的碳点，从而增强其荧光性能。

总体而言，该工作为红光碳点的有效设计制备提供了新的研究策略，拓宽了其在生物成像和传感领域的潜在应用，对实时监测细胞中的血红素具有重要意义。

除此之外，该工作为提高红光碳点的光学性能和改善其溶解性提供了思路和经验。预计将能用于以下领域：

生物医学应用：作为生物成像的探针，用于检测细胞、组织或器官的活性氧、pH 值、温度等参数变化，也可以用于标记癌细胞或病原体；作为药物或基因的载体，实现靶向传递或控释；还可作为光疗的敏感剂，利用其光致发热或产生活性氧的能力,诱导癌细胞或炎症细胞的凋亡。

光电器件应用：高效发光碳点可以应用于 LED 和激光发射等照明、显示、防伪器件等领域，提高光电转换效率和颜色饱和度。

环保领域：在环保领域的应用也很广泛，例如挥发性有机化合物传感检测、废水处理、大气污染治理和固废处理等。通过采用更清洁和环保的技术，可以更有效地减少污染，保护环境并促进可持续发展。

通信技术：高效发光材料有望用于下一代通信系统，比如 5G、6G 或量子光通信。使用这种技术，可以实现更快速、更可靠的数据传输，有望促进远程医疗、自动驾驶等技术的发展。

据介绍，碳点是一种零维、表面钝化的、小尺寸（1～10nm）的新型荧光纳米材料，兼具传统量子点（相关学者获得 2023 诺贝尔化学奖）和碳纳米材料（富勒烯和石墨烯均获得诺贝尔奖）二者的优势，可以分为无定形/石墨型碳点、石墨烯量子点和碳化聚合物点等类别。

因其优异的生物相容性、低毒性和高发光性能等特点，在生物传感、光电器件和能源催化等领域表现出广泛的应用前景，引起了相关领域科研工作者的密切关注。

其中，红光等长波长发光碳点，因其深层组织穿透能力、最小的样品损伤和最小的生物样品背景自发荧光等特点，在细胞和组织成像方面具有很大的优势。

原位、实时、动态地在亚细胞器维度观测重要靶标的运动、分布和产生，亦能够促进人们对亚细胞器微结构的理解，深对细胞凋亡等重要生命过程的认识，具有重要的生理学和病理学意义。

遗憾的是，目前大多数的报道发现碳点在紫外光激发下表现出强烈的蓝绿色发光，且在长波长范围内具有相对较低的量子产率，严重限制了其在生物领域潜在的应用。

此外，目前提高量子产率的措施主要包括：优化反应条件、引入催化剂、表面改性调控碳点的形貌和性能、改进纯化分离技术等。

然而，这些措施大都是基于化学方法，涉及许多复杂的操作程序，容易引入杂质，需要在后续步骤中对样品进行纯化。

因此，设计简单有效的红光碳点的制备方法，并探索高效提高量子产率的措施具有重要的应用价值和研究意义。

针对上述问题，谢政等人开展了本次研究。

实验中，他们通过表面功能化的方法，将红光碳点的荧光量子产率提高了接近 100 倍，以及意外发现红光碳点具有优异的荧光成像和检测性能。“那种兴奋和满足感是无可比拟的。”他说。

同时，本次论文得到同行的高度评价并以高水平论文的形式得以发表时，这种成就感也让作者们倍受鼓舞。

日前，相关论文以《有效加强碳点的红色荧光技术和生物成像应用》（Effectively enhancing red fluorescence strategy and bioimaging applications of carbon dots）为题发在 Materials Today Physics（IF 11.5）。

济南大学硕士生王方豪是第一作者，谢政教授和关瑞芳教授担任共同通讯作者，硕士生董学哲和左育静副教授为共同作者。

图 | 相关论文（来源：Materials Today Physics）

另据悉，碳点纳米酶是一类新型的催化材料，具有高活性和高选择性，在生物传感器、催化和药物输送等领域表现出广阔的应用前景。

因此，接下来他们将开展针对碳点纳米酶的实验研究。主要包括以下几个方面：

其一，碳点纳米酶的制备与表征：碳点纳米酶可以通过不同的方法制备，如化学气相沉积、激光剥蚀、高温热解等。

因此他们拟借助机器学习来辅助设计碳点纳米酶，并对制备出的碳点纳米酶进行表征，以确定其结构、形貌、光电性质等。

其二，开展碳点纳米酶在生物传感器中的应用：碳点纳米酶由于其高活性和高选择性，有望用于检测生物分子、重金属离子和农药等。

其三，开展碳点纳米酶在药物输送中的应用：研究碳点纳米酶作为药物输送载体，将药物输送到病变部位，提高药物的疗效和降低副作用的机制。

其四，碳点纳米酶可以作为催化剂用于各种化学反应，如氧化反应、还原反应、水解反应等。因此，团队将研究碳点纳米酶作为催化剂的催化机制。

另据悉，谢政所带领的济南大学光子学材料化学与器件团队主要从事光电及特种功能纳米杂化材料与器件方面的研究。

目前重点研究碳点、石墨烯/炔和聚芳炔等富碳光电功能材料及其含硅透明杂化材料（光电功能杂化玻璃/涂层），致力于发展非线性光学与激光、发光和转换、光吸收与响应等材料、器件和生物应用。

参考资料：

1.Wang, F., Dong, X., Zuo, Y., Xie, Z., & Guan, R. (2024). Effectively enhancing red fluorescence strategy and bioimaging applications of carbon dots. Materials Today Physics, 41, 101332. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101332

排版：罗以、刘雅坤