以酵母β-葡聚糖可持續合成碳量子點：一種在生物醫學應用中具有前景的多功能納米材料
《Scientific Reports》：Sustainable carbon quantum dots synthesized from yeast β-glucan as a promising nanomaterial for biological applications
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時間：2025年12月05日
來源：Scientific Reports 3.9
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本研究針對傳統量子點毒性高、合成不環保等問題，以酵母細胞壁提取的β-葡聚糖為前體，通過綠色水熱法成功合成了磷摻雜碳量子點(CQDs)。該CQDs具有24%的量子產率、pH依賴性熒光特性，并展現出廣譜抗菌（尤其對耐藥銅綠假單胞菌活性優于環丙沙星）、強抗氧化（酸性條件下活性更高）、顯著抗炎（使血沉從12 mm h-1降至1 mm h-1）以及良好的生物相容性（~47 μg mL-1時細胞活性>70%）。該研究為開發可持續、多功能的生物醫學納米材料提供了新策略。
在納米技術飛速發展的今天，量子點（Quantum Dots, QDs）作為一種尺寸在1到10納米之間的半導體納米顆粒，因其獨特的光學特性和尺寸依賴性，在生物醫學、環境修復和光電子學等領域展現出巨大的應用潛力。然而，傳統的量子點通常含有鎘、鉛等重金屬元素，其潛在的生物毒性問題嚴重限制了其在生物體內的應用。因此，開發低毒、生物相容性好的新型量子點材料成為該領域的研究熱點。碳量子點（Carbon Quantum Dots, CQDs）應運而生，它們以碳為主要成分，具有毒性低、生物相容性好、光致發光強且可調、化學穩定性高等優點，被認為是傳統重金屬量子點的理想替代品，在藥物遞送、生物成像和生物傳感等方面前景廣闊。
碳量子點的性能很大程度上取決于其前體材料和合成方法。目前，許多研究使用檸檬酸、葡萄糖等化學試劑作為碳源，或者直接使用成分復雜的生物質（如完整的酵母細胞壁）來合成碳量子點。然而，化學試劑前體可能不夠環保，而復雜的生物質前體則可能導致最終產物批次間差異大，重復性不佳。那么，能否找到一種既可持續、成分均一，又兼具良好生物活性的理想前體來合成碳量子點呢？
來自伊朗沙希德·貝赫什提大學和德黑蘭大學的研究團隊將目光投向了酵母β-葡聚糖。β-葡聚糖是一種由β- D-葡萄糖單元通過β-(1→3)和β-(1→6)糖苷鍵連接而成的天然多糖，大量存在于釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的細胞壁中。酵母細胞壁是食品和生物技術工業的副產物，來源豐富、可持續。更重要的是，β-葡聚糖本身具有良好的生物相容性、免疫調節和抗氧化活性，并且其分子結構均一，有利于實現碳量子點合成的可重復性。如果能夠將β-葡聚糖的這些優良特性“繼承”到由此合成的碳量子點上，無疑將創造出一種極具吸引力的新型納米材料。
基于此，研究人員在《Scientific Reports》上發表了他們的最新研究成果，成功地從釀酒酵母細胞壁中提取出β-葡聚糖，并通過一種綠色、溫和的水熱法，合成了磷摻雜的熒光碳量子點。他們系統地表征了這種碳量子點的物理化學性質，并深入評估了其抗菌、抗氧化、抗炎和細胞毒性等多方面的生物活性，旨在為生物醫學應用提供一種高性能、可持續的納米材料平臺。
為開展本研究，作者主要運用了幾項關鍵技術。首先，他們通過酶法結合酸堿提取法從商品化釀酒酵母干粉中分離純化出β-葡聚糖。其次，以純化的β-葡聚糖為前體，在磷酸存在下通過水熱碳化法（250°C, 3小時）合成碳量子點。隨后，利用紫外-可見吸收光譜、光致發光光譜、傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射、能量色散X射線光譜映射、動態光散射、透射電子顯微鏡等一系列技術對碳量子點的光學特性、化學組成、晶體結構和形貌進行了全面表征。在生物學功能評估方面，研究采用了磁盤擴散法、最小抑菌濃度/最小殺菌濃度測定、鐵離子還原抗氧化能力測定、體外血沉試驗以及MTT法分別考察了碳量子點的抗菌、抗氧化、抗炎活性和細胞毒性。值得注意的是，抗炎實驗所用的血液樣本為研究者自愿提供。
從酵母細胞壁中成功提取出β-葡聚糖，提取產率為20%。提取物經過冷凍干燥后得到不溶于水的白色精細粉末。
基于熱重分析確定β-葡聚糖的熱分解起始溫度約為250°C，以此作為水熱合成溫度。反應后得到在紫外光照射下發出藍色熒光的碳量子點溶液。以硫酸奎寧為標準品，計算出所合成碳量子點的熒光量子產率為24%。
紫外-可見吸收光譜在201納米處顯示一個明顯的吸收峰，歸屬于碳核中sp2雜化芳香域的電子的π-π*躍遷。通過Tauc圖計算出的帶隙為5.19電子伏特，證實了碳量子點中存在量子限域效應。光致發光光譜顯示碳量子點的熒光具有pH依賴性，在pH 2時于380納米處發射強度最大。
傅里葉變換紅外光譜分析表明，與β-葡聚糖相比，碳量子點的O-H伸縮振動峰強度顯著降低，并出現了C=O伸縮振動峰，同時糖苷鍵的特征峰減弱，表明水熱碳化過程發生了脫水、氧化和糖苷鍵斷裂。X射線衍射顯示碳量子點的衍射峰寬化，表明其形成了更小、更無序的非晶碳結構。能量色散X射線光譜映射證實了磷的成功摻雜，磷元素可能以磷酸根或膦酸根的形式存在于碳量子點表面。
動態光散射測得的碳量子點流體動力學直徑分布較寬，主峰在41.9納米，zeta電位為-2.9毫伏，表明表面電荷低，膠體穩定性較差。透射電子顯微鏡顯示碳量子點近似球形，分散良好，核心尺寸在3-7納米之間，結構與觀察到的藍色熒光一致。
磁盤擴散實驗表明，碳量子點對所有測試的革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均有抑制作用，且對一株臨床分離的耐藥銅綠假單胞菌的抑制效果優于環丙沙星。最小抑菌濃度和最小殺菌濃度測定進一步證實了其廣譜抗菌活性。
鐵離子還原抗氧化能力測定顯示，碳量子點的總抗氧化能力在強酸性條件下（pH ≤ 2）最高，并隨pH升高而逐漸降低，這與其表面官能團的質子化狀態有關。
在體外實驗中，碳量子點能濃度依賴性地降低血沉速率。添加200微升碳量子點溶液（5微克/微升）可使血沉從12毫米/小時顯著降至1毫米/小時，表明其具有抗炎潛力。
MTT實驗顯示，碳量子點對人工常皮膚成纖維細胞的毒性具有濃度依賴性。在濃度約為47微克/毫升時，細胞存活率仍高于70%，表現出良好的生物相容性；而在高濃度（15毫克/毫升）下，細胞存活率降至約20%。
該研究首次報道了以釀酒酵母來源的β-葡聚糖作為可持續前體，通過綠色水熱法合成磷摻雜碳量子點。這種方法僅使用食品級磷酸，無需有害溶劑，符合綠色化學原則。所獲得的碳量子點展現出優異的多功能特性：其光學性能優異，具有pH敏感的熒光發射，可用于酸性微環境（如腫瘤組織、溶酶體）的傳感；生物學功能強大，不僅具有廣譜抗菌活性，尤其對耐藥菌株效果顯著，還表現出依賴于pH的強抗氧化活性以及顯著的抗炎效果；同時，在適當濃度下具有良好的生物相容性。
研究表明，碳量子點的抗菌機制可能與其表面特性、磷摻雜促進活性氧生成以及與細菌表面的相互作用有關。其抗氧化和pH依賴性熒光則與表面官能團（如羧基和羥基）的質子耦合電子轉移過程密切相關。抗炎效應可能源于碳量子點對纖維蛋白原的吸附或對紅細胞膜的影響，從而抑制了紅細胞疊連的形成。
盡管碳量子點較低的zeta電位導致其膠體穩定性有待提高，且較高的濃度會引發細胞毒性，限制了其全身給藥的潛力，但該研究確定的具有生物活性的濃度范圍（如10-100微克/毫升）對于局部用藥（如抗菌敷料）或成像應用而言是相對安全的。未來通過表面鈍化、靶向修飾等策略，有望進一步拓寬其治療窗口。
總之，這項研究成功開發了一種以可持續生物質為原料的綠色合成方法，制備出的β-葡聚糖衍生碳量子點集抗菌、抗氧化、抗炎和光學傳感多種功能于一身，為構建用于診療一體化的新型納米材料平臺奠定了堅實的基礎，在生物醫學領域，特別是針對耐藥菌感染、炎癥性疾病及腫瘤的診斷治療方面，展現出巨大的應用前景。該合成策略原料易得、過程環保，具有良好的規模化生產潛力。
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