碳点作为一种新兴的零维碳基纳米荧光材料，因具有低*性、良好的生物相容性、荧光可调性、独特的发光性能，使其在生物成像、传感、光电器件、生物医学和光催化等领域具有广泛的应用前景。相较于动物，碳点在植物中的应用较为滞后，近两年来，华南农业大学刘应亮团队在碳点对植物光合作用的影响方面的研究有较大的进展。众所周知，植物光合作用是地球大部分能源来源的基础，如何提高植物光合作用效率具有深远的意义。刘应亮团队以此为切入点，以碳点为光捕获材料，拓宽对太阳光谱的吸收范围，充分利用太阳能进而促进植物的光合作用，达到提高能源利用率的效果。
年8月刘应亮团队期刊《AdvancedFunctionalMaterials》上在线发表论文“EnhancedBiologicalPhotosyntheticEffciencyUsingLightHarvestingEngineeringwithDual-EmissiveCarbonDots”。在该研究当中，以生物质川*柏粉为原料，进行一步水热合成法，制备得到在乙醇中呈现*光和红光发射、在水溶液中呈现蓝光和红光发射的光稳定性强的双发射碳点。文中通过多种表征手段、还原性实验和不同合成原料合成碳点的对比试验，证明碳点的红蓝双发射是来源于川*柏粉中的叶绿素和碳源。碳点在水溶液中对紫外光有强烈的吸收并且具有能够完美匹配叶绿体吸收的红蓝光发射，而叶绿体是植物光合作用的主要场所，主要吸收太阳光中的红光和蓝光部分进行光合作用，因此叶绿体可以额外利用双发射碳点的荧光进行高效的光合作用。文中提出以双发射碳点与提取的离体叶绿体相结合形成杂化光合系统的策略，双发射碳点由于静电作用附着在叶绿体表面，在太阳光照射下，叶绿体不仅可以吸收太阳光中的蓝光和红光部分进行光合作用，还可以以碳点为媒介，将紫外光转化红蓝光为叶绿体所利用，因此在该杂化光合系统中，叶绿体的光合作用效率显著提高了。希尔反应、还原性铁氰化物检测法、荧光素/荧光素酶检测法等方法证明了碳点与叶绿体结合之后，体系内的光合作用增强。详细数据表明，在杂化光合系统中，叶绿体光系统II中的电子传递速率提高25%，ATP产量增加至2.8倍，光合作用效率显著提高。此外，该碳点对植物进行水培，也发现碳点处理过的植物叶片内具有较高的电子传递速率。该研究首次报道双发射碳点与提取叶绿体相结合以增加叶绿体对太阳光的吸收，为开拓纳米发光材料在农业领域特别是光合作用方面的应用提出了新的方向。
图1.a)碳点的透射图像（插入图片为碳点粒径分布柱形图）；b)碳点的高分辨透射图像；c)碳点的晶格条纹图像；d)选区电子衍射图像。
图2.a)nm激发下碳点和还原处理后的碳点在乙醇溶液中的发射光谱；b)水中碳点和叶绿体的吸收光谱，nm激发下碳点的发射光谱；c)叶绿体/碳点复合物和叶绿体的吸收光谱；d)nm激发下的叶绿体、分散在水中的碳点和叶绿体/碳点复合物的发射光谱；e)80nm激发下不同浓度碳点水溶液的发射光谱立体图。
图3.a,b)叶绿体/碳点复合物的扫面电镜图像；c,d)叶绿体/碳点复合物在不同激发下的激光共聚焦图像。
年2月该团队在《ACSSustainableChemistryEngineering》期刊上发表论文“PVACoatedFluorescentCarbonDotsNanocapsuleasOpticalAmplifierforEnhancedPhotosynthesisofLettuce”，提出了另一种更为直观的新形式光捕获材料（碳点纳米胶囊）来增强光合作用的策略。文中采用一种新颖的方法，制备PVA包覆蓝色荧光碳点的碳点纳米胶囊。比起相对应的碳点，所制备碳点纳米胶囊具有高量子效率、优越的光稳定性、强透光性等特点，更加适合应用于植物当中。通过叶面喷施的形式，碳点纳米胶囊成功黏附在植物叶片表面，而碳点纳米胶囊对紫外有很强的吸收，并且吸收紫外光后发射出能够被植物吸收的蓝光。叶绿体捕获的更广泛的光谱范围的光促进光合作用过程中的电子传递速率。经过碳点纳米胶囊喷施的罗马生菜的光合作用速率、可溶性糖和可溶性蛋白增加，最终使得蔬菜的产率在一定程度上提升。以叶面喷施的形式将碳点纳米胶囊这一捕光材料附着在叶片表面，将纳米捕光材料与植物相结合，达到拓宽光谱利用范围和转光效果，进而实现增强植物光合作用，这是一种更为直观和具体化的提高能源利用率的策略。
图4.a,b)碳点纳米胶囊的扫面图像；c)碳点纳米胶囊的透射图；d)碳点纳米胶囊的粒径分布图像。
图5.a)碳点纳米胶囊喷涂在叶面上的扫面电镜图像；b)水洗掉叶面上碳点纳米胶囊的扫面电镜图像；c)日光灯和紫外灯下碳点纳米胶囊喷涂在叶面上的图像和洗掉碳点纳米胶囊后的紫外光下的荧光图像。
年4月，该团队在《ACSAppliedMaterialsInterfaces》发表论文“Far-RedCarbonDotsasEfficientLight-HarvestingAgentsforEnhancedPhotosynthesis”，该论文进一步研究了碳点对光合作用的影响。在该工作中，通过3分钟微波合成法，快速制备了一种具有高量子效率、良好的生物相容性、优越的水溶性并且稳定的远红光碳点。远红光碳点的合成，只需要三分钟微波反应，低能耗、快速合成，可实现持续的规模化制备，是碳点在合成方面的重要突破点。文中报道的远红光碳点一方面可以将植物利用率较低的近紫外光转化为远红光，然后远红光被叶绿体光合作用利用。另一方面，由于碳点的荧光特殊的发射波长（覆盖了红光和远红光范围），在叶绿体光合作用过程中产生了艾默生效应，即是当叶绿体被红光和远红一起照射时光合速率远远大于它们分别照射时光合速率的总和，因此远红光碳点能够进一步提高光合作用的速率。在离体叶绿体中，远红光碳点与提取的叶绿通过混合和相互作用形成杂化光合系统，碳点附着在叶绿体表面，在吸收太阳光中的近紫外光后发射能够被叶绿体高效利用的远红光，在叶绿体中，光系统I和光系统II的光反应中心被碳点的远红光和太阳光中能利用的部分激发，产生空穴，形成电子传递链，在碳点的作用下，电子传递速率增大，进而促进ATP的产生，光合速率提高。在之前已报道的光捕获材料促进叶绿体光合作用的研究当中，一般只提到叶绿体类囊体膜的光合电子传递链中的光合系统I到光合系统II之间的电子传递链，而在这个研究工作当中，详细解释了远红光碳点对叶绿体的影响的完整电子传递链的作用机理，并且通过机理来阐述增强光合作用速率的切入点。另外，在植物体内，碳点通过水培的方式，由植物根部经过维管系，来到植物叶肉组织，进入细胞内部与叶绿体发生作用。在植物工厂中模拟太阳光的光照下，碳点在植物体内也促进了植物的光合作用，使得植物的鲜重和干重分别提高了51.14和24.60%。将植物转移到太阳底下，有相同的光合作用提高的效果。在这一工作中，更加清晰和详细地分析碳点促进光合作用的机理，同时提出除了拓宽光谱利用范围，双光增益效应也是使光合作用提高的重要因素。
图6.远红光碳点捕获光和促进光合作用的详细机理过程。
图7.a,b)叶绿体和叶绿体/碳点复合物的扫描电镜图像；c)希尔反应过程不同碳点浓度情况下的复合体系中产氧量；d)不同碳点浓度情况下的复合体系中ATP产量。
图8.远红光碳点培养点的豆芽的各个部位的切片的激光共聚焦图片。
图9.不同碳点浓度情况下的复合体系随着光辐射强度增强，电子传递速率的变化图像（左）；不同碳点浓度的水培生菜的干、鲜重。
刘应亮团队在碳点对植物光合作用的影响方面的研究具有很大的意义，植物能够利用蓝光和红光，能够高效利用远红光。因此，具有蓝色或红色荧光的碳点或者碳点复合物与叶绿体结合，纳米材料通过水培方式或者叶面喷施方式与植物叶绿体产生作用，能够促进植物的光合作用，达到能源高效利用的目的。
衷心感谢刘应亮教授和雷炳富教授团队支持
参考文献：
Li,W.;Wu,S.;Zhang,H.;Zhang,X.;Zhuang,J.;Hu,C.;Liu,Y.;Lei,B.;Ma,L.;Wang,X.EnhancedBiologicalPhotosyntheticEfficiencyUsingLight-HarvestingEngineeringwithDual-EmissiveCarbonDots.Adv.Funct.Mater.,28,1804.
Xu,X.;Mao,X.;Zhuang,J.;Lei,B.;Li,Y.;Li,W.;Zhang,X;Hu,C.;Fang,Y.;Liu,Y.PVA-CoatedFluorescentCarbonDotNanocapsulesasanOpticalAmplifierforEnhancedPhotosynthesisofLettuce.ACSSustainableChem.Eng.,8,-.
Li,D.;Li,W.;Zhang,H.;Zhang,X.;Zhuang,J.;Liu,Y.;Lei,B.Far-RedCarbonDotsasEfficientLight-HarvestingAgentsforEnhancedPhotosynthesis.ACSAppl.Mater.Interfaces,DOI:10./acsami.9b
碳点之光