来源：DeepTech深科技
近日，北京林业大学教授曹金珍和团队利用微波辅助法合成氮掺杂碳量子点（CQDs，Carbon Quantum Dots），通过改变碳源和氮源的比例调控 CQDs 的结构和表面官能团，从而获得具有优异抗真菌性能的 CQDs，在浓度为 360ppm 时可完全抑制两种腐朽真菌（褐腐菌-Postia placenta，白腐菌-Trametes versicolor）的生长。通过比较不同 CQDs 的结构特征，他们发现随着 N 元素掺杂量的提高，CQDs 具有更丰富的官能团和表面缺陷，其内核的石墨烯片层数增加，平面尺寸减小，晶核间距增大。这一特殊结构赋予 CQDs 表面正电荷特性，并显著提高其活性氧（ROS，Reactive Oxygen Species）的量子产率。
本次研究进一步从真菌形态学、代谢组学等多个角度综合解析 CQDs 的抗真菌机制。通过生物扫描电镜、透射电镜等观察发现，带正电荷的纳米尺度 CQDs 可通过静电相互作用粘附于真菌细胞壁，进而穿透细胞膜破坏真菌的生理代谢过程，抑制生物膜形成并引发细胞质泄漏。通过定量分析真菌在 CQDs 作用下的多种相关酶活性，他们发现 CQDs 处理可显著降低真菌分泌的纤维素酶（包括内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶）和半纤维素酶的酶活性，从而抑制纤维素类材料的酶降解。
研究团队采用近红外化学成像（NIR-CI，Near-Infrared Chemical Imaging）探索了 CQDs 在光照下产生的特征 ROS 对真菌细胞膜组分的氧化损伤特征，结果进一步揭示 ROS 可氧化细胞壁/膜上的多糖、蛋白质及脂质，同时干扰核酸合成，从而破坏能量代谢系统。多组学技术分析证实，经 CQDs 处理后真菌细胞壁组分合成相关基因表达显著下调。除酶降解途径外，某些真菌如褐腐真菌还会通过非酶芬顿反应产生破坏性自由基攻击纤维素类材料。通过此他们发现，CQDs 表面官能团使其具有螯合 Fe3+的能力，能有效抑制 Fenton 反应，阻断真菌通过非酶降解途径分解纤维素材料的代谢通路。
研究团队认为，CQDs 在木材保护和功能化改性领域具有巨大的应用潜力，比如将其应用于木材、竹材的防腐处理，延长其作为建筑材料等的使用寿命；或用于纸张和棉织物的防霉保护，提升日用品耐用性；还可开发为环保型涂料或添加剂，应用于家具、包装等领域。此外，其低毒性特点使其在食品包装、医疗材料中具有一定潜力。
（来源：ACS Nano）据介绍，纤维素类材料（如木材、竹材、棉织物等）是日常生活中应用最广的天然高分子，但它们极易受真菌侵害导致腐朽、霉变等问题。传统商业杀菌剂多含重金属或有毒有害化学物质，对环境安全和身体健康造成威胁。因此，开发环保、无毒且高效的新型抗真菌剂成为迫切需求。研究团队瞄准这一技术瓶颈，希望通过纳米材料创新，找到一种绿色解决方案。
研究团队从 2004 年起就开始了木竹材保护与改性方面的研究，研发的有机防腐剂微乳液获得多项国家发明专利，并在木竹材保护领域推广应用，取得了很好的效果。
CQDs 是一种新型的纳米材料，其制备原料来源广、价格低，制备方法简单，且低毒环保，同时具有荧光性和自愈合性等特点。CQDs 针对细菌的抗菌作用也引起了广泛关注，CQDs 的纳米级尺寸和大的比表面积，加上表面丰富的功能基团（如氨基），使其能够与细菌细胞膜形成强烈的静电相互作用，从而轻松穿透细菌细胞并触发细胞死亡。
CQDs 对细菌的抗菌性引起了研究团队的关注。木材等木质纤维素类材料虽然也可能受细菌的影响而产生细菌败坏现象，但是在其使用过程中主要还是受到真菌的影响。因此，研究团队萌发了探索 CQDs 在抑制纤维素类材料受真菌侵害方面作用效果及作用机制的想法。真菌与细菌相比，其生长模式和代谢过程均表现出不同的机制。比如，CQDs 产生的 ROS 对真菌细胞生长和繁殖有何影响？ROS 引起的氧化损伤在真菌细胞壁中的具体位置是什么？这些问题都有待探索。
一些真菌比如褐腐菌利用芬顿反应，在还原螯合剂的帮助下将 Fe3+还原为Fe2+。这一过程通过与过氧化氢的后续反应，生成自由基进而导致纤维素降解。而真菌通过酶促和非酶促机制攻击纤维素材料，这一点在大多数研究中常常被忽视。通过阐明 CQDs 对纤维素材料上真菌作用机制，对开发出下一代绿色且高效的抗真菌剂具有重要意义。
研究团队表示，该研究内容属于 2023 年启动的“十四五”国家重点研发计划项目“木竹材资源利用的结构与化学机理研究”中的课题二“木竹材改性提质增效科学基础”。
在课题立项之前，研究团队进行了很多研究探索，包括木材细胞壁的酯化改性和树脂浸渍改性等。这些方法也可以有效提升木材的耐腐性和尺寸稳定性等性能，但是这些方法都会导致以下两个关键问题：一是木材密度增大，使木材失去其“强重比高”的特性；二是木材韧性严重下降，抗冲击性能和抗拉性能都明显下降。这些变化限制了木材在很多领域的应用。基于此，研究团队计划以“轻质高强、绿色环保”为目标开发适合木材、竹材以及其他纤维素类材料的抗真菌剂。
相比纯纤维素材料，木竹材这类木质纤维素类材料结构和成分更为复杂。因此，研究团队把研究重点放在木竹材上，同时测试在棉织物等材料上的应用效果。木竹材的主要化学成分包括纤维素、半纤维素和木质素，这些成分均可以成为木腐真菌赖以生存的营养物质。同时，木竹材又各有特殊的孔隙构造，它的细胞壁的固有孔隙非常小，只有几个纳米。因此，其抗真菌剂需要满足抗菌性强、水溶性好、与木材成分的相容性好、粒径小等特点。CQDs 可同时满足这些条件，因此在木竹材及其他纤维素类材料抗真菌方面具有巨大潜力。
CQDs 的原料范围非常广，不同原料制备的 CQDs 的粒径和官能团等具有区别。研究团队采用常见的尿素/柠檬酸为原料，通过调控比例制备出不同氮掺杂量的 CQDs，并将研究聚焦于 CQDs 结构与其抗菌性能之间的构效关系及其对真菌的作用机制。通过在马铃薯葡萄糖琼脂（PDA，Potato Dextrose Agar）培养基中验证 CQDs 的抗真菌效果，他们确定了最佳浓度，并在竹材、棉织物等多种材料上测试防腐效果确保其普适性。
通过表征 CQDs 的粒径分布、表面化学修饰及杂原子掺杂等结构特性，他们深入解析了这些因素对其抗菌性能的影响规律，并建立了相应的构效关系模型。在此基础上，研究团队以褐腐菌（Postia placenta）为模式菌种综合运用生物电镜、激光共聚焦显微镜、红外成像及转录组学等技术，系统阐明了 CQDs 在纤维素材料上的抗真菌作用机制。同时，通过体外模拟芬顿反应，从非酶降解途径进一步揭示了 CQDs 的抗菌机制。
日前，相关论文以《碳量子点在纤维素材料中的抗真菌性能与机制》（Antifungal Performance and Mechanisms of Carbon Quantum Dots in Cellulosic Materials）为题发在 ACS Nano[1]，北京林业大学博士研究生赵晓琪为第一作者，曹金珍教授担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：ACS Nano）总的来说，本研究不仅解决了木材防腐的环保难题，还为纳米材料在生物领域的应用开辟了新方向。研究团队期待与跨学科团队合作，探索 CQDs 在医疗抗菌、环境修复等更多场景的潜力。
未来，研究团队计划进一步优化 CQDs 的稳定性和成本，并开发可工业化的制备工艺。同时，探索 CQDs 与其他天然抗菌剂的协同效应，提升综合性能。此外，他们还正在研究 CQDs 在木材改性领域的其他扩展应用。
参考资料：
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. 10.1021/acsnano.5c00052
运营/排版：何晨龙
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