超窄带宽发射红色碳点的理性合成及其在活细胞精确成像中的应用研究

　　本研究针对传统荧光探针发射谱宽、颜色纯度低、成像精度受限的问题，系统开展了超窄带宽红色荧光碳点（CDs）的理性合成及细胞成像应用研究。通过优化前驱体组合与合成工艺，成功制备出发射半高宽（FWHM）低至28.9 nm的高性能CDs，在保持优异生物相容性的同时，实现了对MCF-7细胞核仁的特异性高对比度成像，为高精度细胞成像提供了新型纳米探针解决方案。

　　

在生物医学研究领域，荧光成像技术犹如科学家手中的"魔法显微镜"，能够揭示细胞内部的生命活动奥秘。然而这个强大工具的威力却受限于荧光探针的性能——当前广泛使用的有机小分子荧光染料和量子点材料存在光稳定性差、生物相容性低、制备成本高等固有缺陷，更令人困扰的是它们的发射光谱往往过于宽泛，就像调色不准的颜料，使得成像画面色彩混杂，细节模糊。

正是在这样的技术瓶颈下，碳点（Carbon Dots, CDs）这种新兴纳米材料登上了科研舞台。这些尺寸小于10纳米的碳基颗粒拥有制备简单、成本低廉、生物相容性好、光稳定性强以及发射光谱可调等综合优势，堪称荧光探针界的"全能选手"。但遗憾的是，大多数碳点同样面临发射谱带过宽的问题，就像光线通过劣质棱镜产生的色散，严重影响了成像的准确性和颜色纯度。特别是在红色发射区域，虽然具有组织穿透深度大、自发荧光干扰小、光损伤弱等独特优势，但能够同时实现窄带宽发射和高性能的红色碳点仍是研究者们追逐的"圣杯"。

为了解决这一关键技术难题，来自伊朗Tarbiat Modares大学纳米生物技术系的研究团队开展了一项创新性研究，他们通过理性设计合成策略，成功研制出超窄带宽红色发射碳点，并将其应用于活细胞精确成像，相关成果发表在《Journal of Science and Medicine in Sport》上。

研究人员采用水热合成法这一关键技术，以邻苯二胺（o-phenylenediamine, OPD）、L-苯丙氨酸（L-phenylalanine, Phe）和尿素为前驱体，在180°C条件下反应8小时，通过系统调整前驱体组合，制备了四种不同类型的碳点：CD1（仅OPD）、CD2（OPD+尿素）、CD3（OPD+Phe）和CD4（OPD+Phe+尿素）。通过紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱等技术手段对所得碳点进行了全面表征，并采用MTT法评估了其生物相容性，最后通过荧光显微镜观察了它们对MCF-7细胞的染色效果。

光学性能研究结果

通过紫外-可见吸收光谱分析发现，所有碳点在230 nm和260 nm处均显示出特征吸收峰，分别对应C=C键的π-π跃迁和C=O/C=N键的n-π跃迁。在560 nm附近出现的吸收峰与表面官能团密切相关，为红色发射提供了基础。荧光光谱研究表明，CD1-CD4的最高发射均出现在560 nm激发下，最大发射峰位于619 nm（CD1和CD2）和616 nm（CD3和CD4）附近。最重要的是，CD3表现出最窄的半高宽（FWHM=28.9 nm）和最高的量子产率（18%），这归因于两个芳香前驱体（OPD和Phe）的使用形成了更好的共轭结构。

结构与形貌表征结果

XRD图谱证实所有碳点均具有晶体结构，而拉曼光谱显示CD1-CD4的I_D/I_G比值分别为0.99、0.97、0.91和0.95，表明CD3具有最高的石墨化程度。FT-IR光谱揭示了碳点中存在N-H、O-H、C-H、C=O、C=C、C-N和C-O等官能团，证实前驱体在合成过程中发生了根本性转变。TEM图像显示所有碳点均呈类球形，尺寸分布在3-6 nm之间。

稳定性与生物相容性结果

稳定性测试表明，CD1-CD4在60天内仅出现荧光强度轻微下降，连续紫外照射320分钟后仍保持稳定，在不同浓度的NaCl和H₂O₂溶液中也能维持初始荧光强度。MTT实验证明碳点具有优异的生物相容性，在0.5 mg/mL浓度下细胞活力仍保持在80%以上，即使在高达4.5 mg/mL的浓度下，细胞活力仍介于60%-90%之间。

细胞成像应用结果

细胞成像实验显示，所有碳点都能有效染色MCF-7细胞且不发生颜色变化。CD1和CD2亮度相对较低且只能均匀染色细胞，而CD3和CD4则表现出显著的亮度并能清晰区分细胞内部结构。特别值得注意的是，CD3能够特异性染色核仁并勾勒出细胞核轮廓，实现对细胞质、细胞核和核仁的区分成像，展现出最佳的细胞成像性能。

该研究通过理性设计前驱体组合，成功合成了具有超窄红色发射带宽的碳点，其中CD3以其最窄的半高宽（28.9 nm）、最高的量子产率（18%）和最佳的细胞成像性能成为最具应用前景的荧光探针。这些碳点不仅保持了优异的生物相容性和稳定性，更重要的是实现了对细胞核仁的特异性高对比度成像，解决了传统荧光探针发射带宽过宽导致的成像精度受限问题。研究的创新之处在于系统揭示了前驱体组成对碳点发射带宽的影响规律——使用双芳香前驱体（OPD和Phe）能够形成更好的共轭结构，从而获得更窄的发射带宽；而非芳香前驱体（如尿素）则会引入更多缺陷，导致发射谱带展宽。

这项研究成果的意义不仅在于提供了一种高性能红色窄带宽碳点的合成方法，更重要的是为细胞器特异性成像提供了新型工具。特别是CD3对核仁的特异性染色能力，为核仁相关生物学研究提供了新的技术手段。由于核仁在细胞增殖、应激反应和肿瘤发生中扮演关键角色，这种新型探针有望在癌症诊断、药物筛选和基础细胞生物学研究中发挥重要作用。该研究为推动碳点在生物医学成像领域的实际应用迈出了关键一步，为发展下一代高精度荧光成像技术奠定了坚实基础。