近日，四川农业大学理学院“特色药用植物种质资源创新与利用”研究团队在碳基纳米生物材料领域取得重要进展。团队以天然蒽醌类化合物芦荟大黄素为前驱体，通过氮掺杂工程精准调控碳核结构与发光性能，成功制备出水溶性红色发射碳量子点（AM-CDs），系统揭示了“前驱体结构受限-氮调控”的碳点形成机制，材料在抗菌、肿瘤荧光成像与治疗方面展现出诊疗一体化应用潜力。该成果以“Nitrogen-engineered red-emissive carbon dots from anthraquinone precursors: Structure-photoluminescence relationships and promising biomedical potential”为题，发表于胶体与生物界面领域国际期刊《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》，为高性能红光碳点材料的设计提供了新的分子工程策略。
红光发射碳点因组织穿透深度大、生物自体荧光背景低，是极具临床转化潜力的荧光探针。但现有红光碳点多采用溶剂热合成路线，普遍存在水溶性差、量子产率偏低、潜在生物毒性等问题，制约了临床转化步伐。天然蒽醌分子虽具备刚性共轭骨架与固有生物活性，但自身疏水性强，碳化过程可控性差，难以直接制备水分散型红光碳点。如何在温和水相体系中同步实现前驱体疏水改性、掺杂精准调控与低生物毒性，是该领域亟待解决的关键问题。
针对这一问题，团队采用一步水热法，以芦荟大黄素为碳源、尿素为氮源，制备出在625 nm处具有激发不依赖型红光发射的水溶性AM-CDs。研究表明，氮掺杂在碳点形成中发挥双重调控作用：一方面作为“结构导向剂”，通过形成C-N-C交联网络驱动sp2核定向生长，可将碳核尺寸精准调控在1.48-4.11 nm范围内；另一方面作为“电子调节剂”，构建高石墨氮含量的碳核结构，有效窄化带隙，支撑稳定红光发射。实验显示，氮碳投料比处于0.6-0.9区间时，碳核石墨化程度最优，石墨氮占比达77.7%，红光发射性能最佳；氮掺杂过量（N/C＞1.2）则会引入大量缺陷态，导致发光性能下降。
团队进一步选取茜素、大黄酸、大黄酚等不同取代模式的蒽醌衍生物开展对照实验，验证了“前驱体结构受限-氮调控”机制的普适性：前驱体分子中羟基的空间分布与反应活性，划定了碳核结构演化的边界，氮掺杂则是驱动交联与芳构化反应的核心动力。其中，具有不对称羟基结构的芦荟大黄素对氮调控的响应最为显著。密度泛函理论计算证实，石墨氮与前驱体固有羟基协同作用，既构建了窄带隙发光中心，又通过表面官能化实现了疏水前驱体向亲水纳米材料的转变。
初步生物性能评价显示，AM-CDs对金黄色葡萄球菌具有选择性抑制作用，最低抑菌浓度为341 μg/mL，可致细菌表面皱缩坍塌；对大肠杆菌、铜绿假单胞菌等未表现出明显抑菌活性。在荷瘤小鼠模型中经瘤周给药后，肿瘤部位荧光成像可持续36 h；18天内肿瘤生长抑制率达92.2%，小鼠主要脏器未见明显病理损伤，体现出较好的生物相容性。研究团队表示，目前生物评价仅针对最优配方开展，作用机制与系统安全性仍需进一步验证，后续将深入开展相关研究，推进材料的临床转化。
论文共同第一作者为理学院2023级硕士研究生王茂林、叶智民，张云松教授、赵茂俊教授与林丽博士为共同通讯作者。研究得到四川省自然科学基金青年项目、四川省科技计划国际合作项目、国家现代农业产业技术体系四川创新团队项目及四川农业大学人才启动基金项目资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2026.116210
