废弃木质素化身发光纳米侦察兵守护人体健康

当今世界，能源危机和不可再生资源的过度消耗引发了日益严重的环境问题。为了寻找可持续的解决方案，科学家们将目光投向了自然界中储量丰富的生物质（如农业和林业废弃物）。其中，木质素是地球上最丰富的有机碳来源之一，但往往被当作废料处理。

这篇研究成功开发出一种温和且环保的“绿色”技术，将木质素转化成了具有发光特性的“石墨烯量子点”（Graphene Quantum Dots, 简称GQDs），并将其作为一种超灵敏的“纳米侦察兵”，用于检测生物体内的过氧化氢。

石墨烯量子点是一种极小的碳纳米材料，通常只有几个原子层厚，因为具有良好的水溶性、生物相容性以及奇妙的发光特性，在生物成像和医学检测等领域备受青睐。传统的制备方法往往依赖昂贵的原材料，使用强腐蚀性、无法回收的无机酸。为了解决这个问题，研究团队设计了一条分为两步的“自下而上”合成路线（对应论文中的图1流程图）：

第一步（分离提取）：研究人员没有使用传统的强酸，而是采用了邻氨基苯磺酸（A-acid）的固体有机酸作为助溶剂。在80℃的温和条件下，这种酸能够迅速将大分子的碱性木质素（AL）切割并溶解成纳米级的木质素颗粒（LNPs）。更重要的是，这种A-acid酸还可以通过结晶的方式被回收再利用，有效提升了过程的环保性。

第二步（水热重组）：随后，在200℃的条件下进行12小时的水热处理，这些木质素纳米颗粒会重新排列组合，最终形成含硫（S）和氮（N）元素掺杂的木质素基石墨烯量子点（LGQDs）。

制造出来的LGQDs到底长什么样？又有什么特性呢？研究人员借助了多种高精尖仪器对它们进行了观察。

超薄的微观结构（对应论文中的图2）：通过高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和原子力显微镜（AFM），研究人员发现这些LGQDs是由高度结晶的纳米颗粒组成的，它们极其微小，平均高度仅为1.7纳米，相当于只有2到4层石墨烯的厚度。

奇妙的光学性质（对应论文中的图3）：光学性能测试中，这些量子点展现出了极好的透光率。有趣的是，当使用不同波长的紫外线或蓝光照射它们时，它们会发出明亮的荧光，并且发光的颜色会随着照射光波长的改变而发生轻微变化（这种现象被称为激发依赖性发射）。好比它们是一群能够根据外界信号改变自身颜色的“发光精灵”。

证实了LGQDs具有优异的发光性能后，研究团队给它们指派了一项重要任务：检测生物体内的过氧化氢。过氧化氢是人体内常见的生理氧化剂，它在许多生物反应中扮演着重要角色，也是一些疾病的标志物。

超灵敏的“荧光开关”（对应论文中的图5）：实验结果表明，LGQDs对过氧化氢极其敏感。当溶液中存在极微量的过氧化氢时，LGQDs发出的荧光就会变暗（发生荧光猝灭）。其检测限低至0.13 nM（纳摩尔/升），意味着即便极微弱的过氧化氢痕迹，这些纳米侦察兵也能敏锐地捕捉到并给出“关灯”的反馈。

极高的安全性（参考图5中的细胞实验）：为了确保这些量子点能在生物体内安全使用，研究人员还用小鼠的细胞（L929和3T3细胞）进行了毒性测试。结果显示，即使在较高浓度下，细胞的存活率依然保持在90%以上，证明了LGQDs具有极低的细胞毒性，非常安全。

为什么这些量子点遇到过氧化氢就不亮了呢？研究团队还进行了深入的计算机模拟（密度泛函理论，DFT）计算。

电子级追踪（对应论文中的图6）：计算结果显示，LGQDs之所以能发出明亮的荧光，得益于其内部的“分子内电荷转移（ICT）”效应。量子点中掺杂的硫和氮元素，让电子在分子内部能够高效地流动和跃迁，从而发光。

当过氧化氢分子靠近时，它会通过氢键与量子点中间缺陷位置的亚磺酰基（含硫的基团）结合。这一结合直接打乱了量子点原本活跃的电子云分布（改变了最高占据分子轨道HOMO），使得激发态电子的寿命显著缩短，最终导致光芒黯淡下来（荧光猝灭）。

学者介绍：闵永刚，广东工业大学材料与能源学院教授、博士生导师，广东工业大学特聘教授，俄罗斯工程院外籍院士。主要研究方向包括有机光电功能材料与器件、多维功能化石墨烯复合材料与应用、高性能聚合物材料与加工、半导体用光刻胶及 PCB 先进封装技术，以及绿色催化及其在 CO2 减排和再利用中的应用，聚焦高性能聚合物材料开发及其在电子信息显示和半导体电子封装领域的技术创新、产品开发与产业化等问题。

ORCID：0000-0001-9215-8742

DOI：10.1039/C9GC01012B

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