从甘蔗渣到荧光传感器：羧甲基半纤维素水凝胶的创新应用

研究背景

食源性病原体对人类健康和食品安全构成了严重威胁。全球范围内，由食源性病原体引起的疾病爆发频繁，导致了大量的健康问题和经济损失。因此，开发快速、准确的检测方法对于保障食品安全和公共卫生至关重要。

碳点（CDs）作为荧光探针具有独特光学性质和生物相容性，嵌入水凝胶基质中可增强其稳定性和传感能力。半纤维素经羧甲基化改性后，可用于制备水凝胶。

研究者开发了微波辅助的快速羧甲基化方法，并利用甘蔗渣作为碳源合成氮掺杂碳点（N–CDs），以减少环境影响。最终，开发的CM-Hemi@Ca-N–CDs水凝胶不仅具有抗菌和抗真菌特性，还能作为荧光探针实时监测细菌和真菌，为智能包装材料的开发提供了新思路。

抗细菌/抗真菌活性

图1展示了CM-Hemi（标记为3）和CM-Hemi@Ca-N–CDs（标记为4）对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抗菌/抗真菌活性。实验结果表明：

CM-Hemi@Ca-N–CDs对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）表现出13 mm的抑菌圈，对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）表现出15 mm的抑菌圈，而CM-Hemi本身对这两种细菌均无抑菌效果。

CM-Hemi@Ca和CM-Hemi@Ca-N–CDs对白色念珠菌均表现出抗真菌活性，抑菌圈分别为11 mm和15 mm。这表明N–CDs的引入显著增强了水凝胶的抗细菌和抗真菌性能。

Fig. 1. Antimicrobial activity of the CM-Hemi (denoted as 3) and CM-Hemi@Ca-N–CDs (denoted as 4) against Escherichia coli, Staphylococcus aureus and Candida albicans.

CM-Hemi@Ca-N–CDs基荧光水凝胶作为细菌和真菌成像探针

图2展示了CM-Hemi@Ca-N–CDs在与不同微生物相互作用前后的荧光显微镜图像。图中观察到：

1、在与细菌接触前，CM-Hemi@Ca-N–CDs发出强烈的红色荧光。

2、与大肠杆菌相互作用后，CM-Hemi@Ca-N–CDs发出蓝色荧光。

3、与金黄色葡萄球菌相互作用后，CM-Hemi@Ca-N–CDs发出较弱的红色荧光。

4、与白色念珠菌相互作用后，CM-Hemi@Ca-N–CDs发出蓝色荧光。

原理：革兰氏阳性菌的细胞壁含有较多的肽聚糖和磷酸壁酸，而革兰氏阴性菌的细胞壁含有较多的脂多糖。CM-Hemi@Ca-N–CDs在酸性条件下表面功能基团发生质子化，影响荧光能量水平，导致荧光颜色变化。革兰氏阳性菌的细胞壁带有更多的负电荷，与带正电的CM-Hemi@Ca-N–CDs结合更强，导致荧光颜色变化更明显。

Fig. 2. Fluorescence microscope for CM-Hemi@Ca-N–CDs before bacteria, CM-Hemi@Ca-N–CDs/ Escherichia coli, CM-Hemi@Ca-N–CDs/ Staphylococcus aureus and CM-Hemi@Ca-N–CDs/ Candida albicans.

讨论

研究开发的CM-Hemi@Ca-N–CDs水凝胶作为一种新型的环保抗菌/抗真菌传感器的有效性，强调了其对不同微生物的相互作用机制，以及通过计算建模证实的与微生物的强结合，表明了这种新材料在抗菌应用中的潜力。

参考文献：Wu M, Zhu Q, Liu W, et al. Multi-functional electrochemiluminescence biosensor for efficient capture, elimination, and sensitive monitoring of Staphylococcus aureus[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2024: 117112.