科學家利用微波輔助法合成氮摻雜碳量子點，可用於木材保護和功能化改性

近日，北京林業大學教授曹金珍和團隊利用微波輔助法合成氮摻雜碳量子點（CQDs，Carbon Quantum Dots），透過改變碳源和氮源的比例調控 CQDs 的結構和表面官能團，從而獲得具有優異抗真菌效能的 CQDs，在濃度為 360ppm 時可完全抑制兩種腐朽真菌（褐腐菌-Postia placenta，白腐菌-Trametes versicolor）的生長。透過比較不同 CQDs 的結構特徵，他們發現隨著 N 元素摻雜量的提高，CQDs 具有更豐富的官能團和表面缺陷，其核心的石墨烯片層數增加，平面尺寸減小，晶核間距增大。這一特殊結構賦予 CQDs 表面正電荷特性，並顯著提高其活性氧（ROS，Reactive Oxygen Species）的量子產率。

圖 | 曹金珍（來源：曹金珍）

本次研究進一步從真菌形態學、代謝組學等多個角度綜合解析 CQDs 的抗真菌機制。透過生物掃描電鏡、透射電鏡等觀察發現，帶正電荷的奈米尺度 CQDs 可透過靜電相互作用粘附於真菌細胞壁，進而穿透細胞膜破壞真菌的生理代謝過程，抑制生物膜形成並引發細胞質洩漏。透過定量分析真菌在 CQDs 作用下的多種相關酶活性，他們發現 CQDs 處理可顯著降低真菌分泌的纖維素酶（包括內切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶）和半纖維素酶的酶活性，從而抑制纖維素類材料的酶降解。

研究團隊採用近紅外化學成像（NIR-CI，Near-Infrared Chemical Imaging）探索了 CQDs 在光照下產生的特徵 ROS 對真菌細胞膜組分的氧化損傷特徵，結果進一步揭示 ROS 可氧化細胞壁/膜上的多糖、蛋白質及脂質，同時干擾核酸合成，從而破壞能量代謝系統。多組學技術分析證實，經 CQDs 處理後真菌細胞壁組分合成相關基因表達顯著下調。除酶降解途徑外，某些真菌如褐腐真菌還會透過非酶芬頓反應產生破壞性自由基攻擊纖維素類材料。透過此他們發現，CQDs 表面官能團使其具有螯合 ‌Fe³⁺的能力，能有效抑制 Fenton 反應，阻斷真菌透過非酶降解途徑分解纖維素材料的代謝通路。

研究團隊認為，CQDs 在木材保護和功能化改性領域具有巨大的應用潛力，比如將其應用於木材、竹材的防腐處理，延長其作為建築材料等的使用壽命；或用於紙張和棉織物的防黴保護，提升日用品耐用性；還可開發為環保型塗料或新增劑，應用於傢俱、包裝等領域。此外，其低毒性特點使其在食品包裝、醫療材料中具有一定潛力。

（來源：ACS Nano）

據介紹，纖維素類材料（如木材、竹材、棉織物等）是日常生活中應用最廣的天然高分子，但它們極易受真菌侵害導致腐朽、黴變等問題。傳統商業殺菌劑多含重金屬或有毒有害化學物質，對環境安全和身體健康造成威脅。因此，開發環保、無毒且高效的新型抗真菌劑成為迫切需求。研究團隊瞄準這一技術瓶頸，希望透過奈米材料創新，找到一種綠色解決方案。

研究團隊從 2004 年起就開始了木竹材保護與改性方面的研究，研發的有機防腐劑微乳液獲得多項國家發明專利，並在木竹材保護領域推廣應用，取得了很好的效果。

CQDs 是一種新型的奈米材料，其製備原料來源廣、價格低，製備方法簡單，且低毒環保，同時具有熒光性和自癒合性等特點。CQDs 針對細菌的抗菌作用也引起了廣泛關注，CQDs 的奈米級尺寸和大的比表面積，加上表面豐富的功能基團（如氨基），使其能夠與細菌細胞膜形成強烈的靜電相互作用，從而輕鬆穿透細菌細胞並觸發細胞死亡。

CQDs 對細菌的抗菌性引起了研究團隊的關注。木材等木質纖維素類材料雖然也可能受細菌的影響而產生細菌敗壞現象，但是在其使用過程中主要還是受到真菌的影響。因此，研究團隊萌發了探索 CQDs 在抑制纖維素類材料受真菌侵害方面作用效果及作用機制的想法。真菌與細菌相比，其生長模式和代謝過程均表現出不同的機制。比如，CQDs 產生的 ROS 對真菌細胞生長和繁殖有何影響？ROS 引起的氧化損傷在真菌細胞壁中的具體位置是什麼？這些問題都有待探索。

一些真菌比如褐腐菌利用芬頓反應，在還原螯合劑的幫助下將 Fe³⁺還原為Fe²⁺。這一過程透過與過氧化氫的後續反應，生成自由基進而導致纖維素降解。而真菌透過酶促和非酶促機制攻擊纖維素材料，這一點在大多數研究中常常被忽視。透過闡明 CQDs 對纖維素材料上真菌作用機制，對開發出下一代綠色且高效的抗真菌劑具有重要意義。

研究團隊表示，該研究內容屬於 2023 年啟動的“十四五”國家重點研發計劃專案“木竹材資源利用的結構與化學機理研究”中的課題二“木竹材改性提質增效科學基礎”。

在課題立項之前，研究團隊進行了很多研究探索，包括木材細胞壁的酯化改性和樹脂浸漬改性等。這些方法也可以有效提升木材的耐腐性和尺寸穩定性等效能，但是這些方法都會導致以下兩個關鍵問題：一是木材密度增大，使木材失去其“強重比高”的特性；二是木材韌性嚴重下降，抗衝擊性能和抗拉效能都明顯下降。這些變化限制了木材在很多領域的應用。基於此，研究團隊計劃以“輕質高強、綠色環保”為目標開發適合木材、竹材以及其他纖維素類材料的抗真菌劑。

相比純纖維素材料，木竹材這類木質纖維素類材料結構和成分更為複雜。因此，研究團隊把研究重點放在木竹材上，同時測試在棉織物等材料上的應用效果。木竹材的主要化學成分包括纖維素、半纖維素和木質素，這些成分均可以成為木腐真菌賴以生存的營養物質。同時，木竹材又各有特殊的孔隙構造，它的細胞壁的固有孔隙非常小，只有幾個奈米。因此，其抗真菌劑需要滿足抗菌性強、水溶性好、與木材成分的相容性好、粒徑小等特點。CQDs 可同時滿足這些條件，因此在木竹材及其他纖維素類材料抗真菌方面具有巨大潛力。

CQDs 的原料範圍非常廣，不同原料製備的 CQDs 的粒徑和官能團等具有區別。研究團隊採用常見的尿素/檸檬酸為原料，透過調控比例製備出不同氮摻雜量的 CQDs，並將研究聚焦於 CQDs 結構與其抗菌效能之間的構效關係及其對真菌的作用機制。透過在馬鈴薯葡萄糖瓊脂（PDA，Potato Dextrose Agar）培養基中驗證 CQDs 的抗真菌效果，他們確定了最佳濃度，並在竹材、棉織物等多種材料上測試防腐效果確保其普適性。

透過表徵 CQDs 的粒徑分佈、表面化學修飾及雜原子摻雜等結構特性，他們深入解析了這些因素對其抗菌效能的影響規律，並建立了相應的構效關係模型。在此基礎上，研究團隊以褐腐菌（Postia placenta）為模式菌種綜合運用生物電鏡、雷射共聚焦顯微鏡、紅外成像及轉錄組學等技術，系統闡明瞭 CQDs 在纖維素材料上的抗真菌作用機制。同時，透過體外模擬芬頓反應，從非酶降解途徑進一步揭示了 CQDs 的抗菌機制。

日前，相關論文以《碳量子點在纖維素材料中的抗真菌效能與機制》（Antifungal Performance and Mechanisms of Carbon Quantum Dots in Cellulosic Materials）為題發在 ACS Nano[1]，北京林業大學博士研究生趙曉琪為第一作者，曹金珍教授擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：ACS Nano）

總的來說，本研究不僅解決了木材防腐的環保難題，還為奈米材料在生物領域的應用開闢了新方向。研究團隊期待與跨學科團隊合作，探索 CQDs 在醫療抗菌、環境修復等更多場景的潛力。

未來，研究團隊計劃進一步最佳化 CQDs 的穩定性和成本，並開發可工業化的製備工藝。同時，探索 CQDs 與其他天然抗菌劑的協同效應，提升綜合性能。此外，他們還正在研究 CQDs 在木材改性領域的其他擴充套件應用。

參考資料：

1.Zhao, X., Zhang, S., Zhang, M., Zhang, Z., Zhou, M., & Cao, J. (2025). Antifungal Performance and Mechanisms of Carbon Quantum Dots in Cellulosic Materials. ACS nano, 19(14), 14121-14136. https://pubs.acs.org/10.1021/acsnano.5c00052

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