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碳點(diǎn)具有優(yōu)異的光學(xué)性能和低的毒性，在生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)研究領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。然而，要實(shí)現(xiàn)碳點(diǎn)的大規(guī)模合成，同時(shí)保持應(yīng)用所需的功能性是極具挑戰(zhàn)性的一個(gè)難題。目前廣泛應(yīng)用的合成碳點(diǎn)的方法是水熱法，其優(yōu)點(diǎn)是適合工業(yè)化生產(chǎn)。但是在水熱反應(yīng)中不受控的碳化過程是一個(gè)關(guān)鍵問題，導(dǎo)致碳點(diǎn)的大小不一致和表面官能團(tuán)的損失。這一問題嚴(yán)重影響了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)物的均一性，阻礙了碳點(diǎn)從實(shí)驗(yàn)室研究向臨床應(yīng)用的過渡。為了解決這一問題，邢更妹和李娟研究團(tuán)隊(duì)提出一種競(jìng)爭(zhēng)性的反應(yīng)策略來調(diào)控碳點(diǎn)的合成過程。

本研究設(shè)計(jì)了4-二羥硼基-L-苯丙氨酸作為碳點(diǎn)水熱合成反應(yīng)的調(diào)節(jié)劑。4-二羥硼基-L-苯丙氨酸的分子特征是在苯環(huán)的對(duì)位存在一對(duì)苯硼酸官能團(tuán)和氨基酸官能團(tuán)，二者都能和葡萄糖上的羥基發(fā)生反應(yīng)。巧妙的利用苯硼酸和氨基官能團(tuán)相互競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的機(jī)制來調(diào)節(jié)和控制碳點(diǎn)合成反應(yīng)，保護(hù)和維持特征官能團(tuán)，實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用所需要的功能官能團(tuán)的保留。

更進(jìn)一步的，為了更好的解析使用這種策略合的碳點(diǎn)在反應(yīng)過程中的變化，使用基于同步輻射X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)光譜（XANES）準(zhǔn)原位觀察碳點(diǎn)形成過程。通過XANES允許在復(fù)雜的反應(yīng)體系中隨時(shí)觀察碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)變化，并可以根據(jù)需求分離純化。

該研究還揭示了碳點(diǎn)形成中的“慢化現(xiàn)象”反應(yīng)機(jī)制，競(jìng)爭(zhēng)性反應(yīng)使得活性中間體5-羥甲基糠醛（HMF）的生成被抑制，同時(shí)反應(yīng)體系中的氨基酸起到了降低表面張力的作用。利用這種慢化的合成策略，團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了百克級(jí)碳點(diǎn)的穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)物在粒徑分布、熒光特性和官能團(tuán)保留率等關(guān)鍵指標(biāo)上保持高度一致，過程能力指數(shù)Cp和過程能力k指數(shù)Cpk分別提升32%和56%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法，解決了碳點(diǎn)合成中功能基團(tuán)保留和粒徑控制的關(guān)鍵問題，為工業(yè)化放大提供了可靠技術(shù)路徑。

功能化碳點(diǎn)表面的氨基酸殘基還可通過腫瘤細(xì)胞表面的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體實(shí)現(xiàn)雙重靶向攝取。高的硼含量和熒光特性使這種功能性碳點(diǎn)有望成為硼中子俘獲治療（BNCT）的新型硼載體，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。研究團(tuán)隊(duì)通過分子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能基團(tuán)在復(fù)雜反應(yīng)中的精準(zhǔn)保留，為碳點(diǎn)材料在腫瘤治療、生物成像等領(lǐng)域的臨床轉(zhuǎn)化提供了新的思路。

相關(guān)研究成果以Revealing a Competitive and Slowed Reaction Mechanism by Using Synchrotron Radiation-Based Semi In Situ Techniques on the Structure Evolution of Functional Carbon Dots為題，發(fā)表在《ACS Nano》的19卷第16期（DOI：10.1021/acsnano.5c00618）。

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的博士研究生王志杰為第一作者，通訊作者為中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所李娟副研究員、邢更妹研究員。本研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持并依托中科院北京同步輻射設(shè)施（BSRF）下開展，XAENS的表征和分析在北京同步輻射裝置4B7B線站的支持下完成。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c00618

利用同步輻射準(zhǔn)原位技術(shù)揭示功能碳點(diǎn)結(jié)構(gòu)演變中的競(jìng)爭(zhēng)與慢化反應(yīng)機(jī)制

同步輻射X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)光譜（XANES）準(zhǔn)原位觀察碳點(diǎn)形成過程與機(jī)理探討

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