多色B、N-碳点:一种多功能平台,适用于比率传感、防伪以及高效的光热转换

《Materials Today Chemistry》:Multicolor B, N-carbon dots: a versatile platform for ratiometric sensing, anti-counterfeiting, and efficient photothermal conversion

【字体: 时间:2026年02月16日 来源:Materials Today Chemistry 6.7

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  本研究采用一锅法合成多发射荧光碳点(M-CDs),通过色谱分离获得G-CDs(绿)、Y-CDs(黄)、R-CDs(红)。G-CDs可检测2,4-二硝基苯肼(LOD:0.72nM),Y-CDs实现高效信息加密,R-CDs光热转化效率达46%,为多领域应用提供新思路。

  
Fanyong Yan|Shanshan Li|Xueyu Wang|Qinghong Song|Tengchuang Ma|Xin Wei|Yidi Wang
中国天津市天宫大学先进分离膜材料国家重点实验室,邮编300387

摘要

通过一步法合成的多发射荧光碳点(M-CDs)因其可调性质而受到了广泛关注。这些M-CDs具有优异的光学性能、低毒性以及光热转换潜力,使其在多种应用中极具吸引力。本研究有效利用了M-CDs的特性,通过单一材料实现了多种功能。M-CDs采用一步热溶剂法与胺分子合成,随后通过色谱分离得到绿色发射的G-CDs、黄色发射的Y-CDs和红色发射的R-CDs。随着sp2共轭结构的增加,这些三色CD的发射波长发生了红移。这种三色CD的创新应用涵盖了检测、信息加密和光热转换领域。值得注意的是,G-CDs是检测有害有机物质2,4-二硝基苯肼的强大工具,在0.5-200 μM浓度范围内,其检测限可达0.72 nM。Y-CDs在多种信息加密过程中表现出高效性和准确性。R-CDs的光热转换效率高达46%,显示出其在肿瘤热消融方面的潜力。本研究突显了M-CDs的多功能性,并为不同领域的应用提供了新的见解。

引言

碳点(CDs)的多色发光特性已被广泛报道,使这些零维纳米材料在发光设备中的检测和信息加密方面非常有用[[1], [2], [3], [4]]。它们的多功能性和可调光学性质引起了科学界的极大兴趣[[5], [6], [7]]。鉴于其可变的光学行为,多色CDs有可能同时在不同领域得到应用[8,9]。然而,研究人员主要关注于在单一领域内利用这些光学性质进行特定应用[10,11]。
基于o-苯二胺的多发射荧光CD(M-CDs)已被广泛研究。它们的二胺结构提供了较大的共轭域,使其容易发生红移[12]。此外,杂原子B掺杂是有效的肿瘤靶向方法[8]。Fahmi等人展示了使用硼酸(一种无毒、稳定且免疫原性低的化合物)作为肿瘤治疗的靶向配体[13]。通过溶剂热法合成CDs并保留前体的活性基团已被证明是制造纳米材料的有效方法[14,15]。尽管文献中记录了来自o-PD的碳纳米材料,但现有研究主要集中在调节单一成分或特定性质上[16]。本研究通过简单的分离策略实现了从单一材料中高效分离出三种不同的荧光颜色。选择o-PD的原因在于其分子结构中的邻位官能团容易形成特定的表面态,从而实现可调的多色发光。这为扩展调节CD发光的策略提供了新的见解[17]。本文探讨了M-CDs在多学科应用中的差异化。
针对苯肼化合物(尤其是2,4-二硝基苯肼(2,4-DNPH)的检测方法仍不完善[18]。2,4-DNPH在化学生产中广泛用作检测醛类和酮类的传感器[19,20],但它也会污染环境并对健康造成危害,包括DNA损伤和突变效应[21]。因此,开发一种简单且灵敏的2,4-DNPH检测方法至关重要[22]。CDs作为快速响应、高效且高度灵敏的荧光纳米材料,在分析检测中表现出色[[23], [24], [25]]。本文首次引入了内滤光效应(IFE)来实现2,4-DNPH的灵敏检测。
在信息安全领域,无论光线角度如何,都能在阳光下识别模式的能力对吸收可见光的发光材料中的信息加密提出了挑战[2,26]。在可见光下不可见的CDs特别具有吸引力,但许多CD只需一步紫外照射就能揭示加密信息,从而危及安全性[27,28]。因此,需要具有刺激响应性的多信息加密CD来增强信息安全[[29], [30], [31]]。
光热疗法(PTT)利用光能将光热材料转化为热能,选择性地破坏病变肿瘤[[32], [33], [34], [35]]。碳纳米材料可以通过增强渗透性和保留(EPR)效应在肿瘤细胞中积累,为健康细胞和组织提供了比传统光热材料更安全、危害更小的替代方案[36,37]。CDs不易降解或失效,从而确保了可靠和持续的治疗[38,39]。红色CDs可作为有效的光热剂,通过将光转化为热能对肿瘤细胞造成不可逆的损伤[40,41]。
受此启发,我们的工作重点关注在不同领域中创新应用差异化多色CD。这些M-CDs负载了众多活性位点,适合作为探针和光敏剂。我们采用一步热溶剂法制备了M-CDs,随后通过柱色谱将其分离为绿色、黄色和红色CD(G-CDs、Y-CDs和R-CDs)。表征结果证实,荧光红移与元素掺杂有关。这些CD的独特光学性质使其能够用于检测、信息加密和光热疗法。

材料与试剂

o-苯二胺(C6H8N2,98%)、苯硼酸(C6H7BO2,97%)和乙酸乙酯(C4H8O2,99%)购自上海Macklin生化有限公司。AgNO3、MnCl2、CuSO4、BaCl2、FeCl3、NaF、NaCl、Cu(NO3)2、Na2SO4、亮黄、Eosin Y、亚甲蓝(MB)、p-硝基苯甲酸(PNB)、叶酸(FA)、l-丝氨酸(L-Ser)、dl-同型半胱氨酸(DL-Hcy)和链霉素(STM)也购自上海Macklin生化有限公司。N,N-二甲基甲酰胺(C3H7NO,≥99.5%)亦从该公司获得

M-CDs的形态

使用TEM分析了三种类型CD的大小和形态。图1(a–c)展示了TEM图像和尺寸分布,显示G-CDs、Y-CDs和R-CDs均匀分散,平均尺寸分别约为3.2 nm、5.4 nm和7.3 nm。高分辨率TEM图像中的插图显示了间距为0.21 nm的明显晶格条纹,对应于石墨碳的(100)平面。这些发现表明CD的固有极性可能影响其成核过程

结论

总结来说,本研究提出了一种通过一步溶剂热法制备高性能M-CDs的方法。使用PBA和OPD作为前体,通过柱色谱一步获得了高纯度的多色发射CDs。多色发射归因于尺寸效应和氮掺杂比例。前体的脱水和碳化受混合溶剂的影响,进而影响碳核的大小和sp2

CRediT作者贡献声明

Fanyong Yan:撰写 – 审稿与编辑、资金获取、数据管理、概念构思。Shanshan Li:撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、概念构思。Xueyu Wang:撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、数据管理、概念构思。Qinghong Song:撰写 – 审稿与编辑、概念构思。Tengchuang Ma:撰写 – 审稿与编辑、概念构思。Xin Wei:撰写 – 审稿与编辑、概念构思。Yidi Wang:撰写 –

伦理批准

所有动物实验均符合哈尔滨医科大学肿瘤医院的协议(授权号:SYXK2019-001;SCXK2019-001)。所有动物实验操作均符合国家动物保护指南。

利益冲突声明

作者确认本文内容不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了分离膜与膜过程国家重点实验室Z1-201507)、天津大学创新研究团队计划(TD13-5042)、天宫大学沧州研究所TGCYY-F-0207)、沧州市自然科学基金23241001003 N)、沧州市重大科技专项23243304004Z)以及中宁县沙坡头区科技局2025年科技计划的支持
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