研究背景

细菌芽孢因其能够在极端环境条件下存活，对人类健康构成了重大威胁。例如，炭疽芽孢即使在恶劣环境中也能长期存活，甚至被用作生物武器。因此，灵敏检测和高效灭活这些芽孢对于预防疾病传播至关重要。然而，目前大多数研究主要集中在检测方面，同时实现检测和灭活的多功能平台仍然缺乏。

江南大学的研究团队在《Sensors and Actuators: B. Chemical》期刊上发表了一项创新研究，开发出一种多功能纳米平台（Tb-CDs NAs），通过将铽离子（Tb³⁺）与光敏碳点（CDs）组装，实现了细菌芽孢的荧光检测和原位灭活，为芽孢污染的防控提供了新的解决方案。

 纳米平台的构建与特性

Tb-CDs NAs 的制备过程相对简单，通过将 Tb³⁺离子与碳点（CDs）组装而成。其中，碳点具有优异的水溶性和独特的氧气生成特性，而 Tb³⁺离子则作为组装的 “胶水” 和荧光指示剂。优化后的组装比例为 Tb³⁺离子与碳点的质量比为 1:3.2，这一比例能够实现对 DPA 的最佳响应。

透射电子显微镜（TEM）图像显示，碳点呈准球形，平均直径为 2.54nm，而 Tb-CDs NAs 则呈现出条纹状纳米结构，证实了纳米组装体的成功形成。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和 X 射线光电子能谱（XPS）分析表明，碳点表面含有丰富的氨基和羟基官能团，为与 Tb³⁺离子的配位提供了充足的位点。

值得注意的是，Tb-CDs NAs 在 405nm 的激发下，在 680nm 处有最大荧光发射峰，表明碳点的荧光特性在组装后得到了保留。而当在 275nm 的激发下，由于天线效应，Tb³⁺离子的特征峰在 DPA 存在时会显著增强。

图1.（a） Tb-CDs NAs 的制备和 （b） 它们在 FL 检测和细菌孢子原位灭活中的应用示意图。

图 2.Tb-CDs NAs 的制备和表征。（a） CDs 的 TEM 图像（插图：粒度分布和 HR-TEM 图像）。Tb-CDs NAs 的 （b） TEM 图像和 （c） HRTEM 图像。CDs 和 Tb-CDs NA 的 （d） FT-IR 光谱，（e） Zeta 电位和 （f） 紫外-可见吸收光谱和 FL 发射光谱。

高灵敏度 DPA检测性能

Tb-CDs NAs 对细菌芽孢的关键生物标志物 DPA 表现出高度敏感的检测能力。在水溶液中，随着 DPA 浓度的增加，Tb-CDs NAs 在 489nm、545nm、562nm 和 621nm 处的荧光发射强度显著增加，这些峰对应于 Tb³⁺离子的⁵D₄→⁷F_J（J=6,5,4,3）跃迁。在 545nm 处，DPA 浓度在0 到 1.4μM 范围内呈现出良好的线性关系，计算得到的检测限为 0.68μM，远低于芽孢的感染剂量（60μM）。

该平台还具有优异的选择性和抗干扰能力。当加入潜在的干扰物质如 N - 乙酰 - D - 葡萄糖胺、L - 赖氨酸、D - 谷氨酸等时，Tb-CDs NAs 没有明显的响应，而仅在加入 DPA 时观察到强烈的荧光增强。这种高选择性使得 Tb-CDs NAs 在复杂环境中能够准确检测 DPA。

图 3.解决方案级的 DPA 传感。（a） 具有不同浓度 DPA 的 Tb-CDs NAs 溶液的 FL 谱图。（b） Tb-CDs NAs 溶液在 545 nm 处的 FL 强度随 DPA 浓度的增加。（c） DPA 浓度 （0–1.4 μ M） 与 Tb-CDs NAs 溶液的相应 FL 强度之间的线性相关性。（d） 添加潜在干扰源后 Tb-CDs NAs 溶液在 545 nm 处的 FL 强度变化。（插图：275 nm 紫外光下样品的照片，F 和 F 0 4 分别代表添加和不添加 DPA 的 Tb-CDs NAs 的 FL 强度。

图 4.复杂场景下的 DPA 传感和可能的机制。（a） 细菌孢子萌发过程的示意图，突出显示了 DPA 释放和真实样品的传感程序。（b） 添加不同浓度细菌孢子的 Tb-CDs NAs 溶液的 FL 光谱。（c） Tb-CDs NAs 溶液加入预处理过的真实样品与不同浓度的细菌孢子一起孵育的 FL 光谱。（d） 添加 DPA 后 Tb-CDs NAs 的 TEM 图像。（插图：HR-TEM 图像）（e） 添加 DPA 前后 Tb-CDs NAs 溶液的紫外-可见吸收光谱。（插图：275 nm 紫外光下样品的照片。

复杂场景下的检测与芽孢灭活

除了在水溶液中的优异表现，Tb-CDs NAs 在更复杂的环境中，如芽孢悬浮液和真实样本中也展现出实用的传感能力。在芽孢悬浮液检测中，随着芽孢浓度的增加，荧光强度呈现出浓度依赖性增加，在紫外光下也观察到明显的发射颜色变化。

在真实样本检测中，以被细菌芽孢污染的大米为例，传感器同样表现出显著的荧光响应，在芽孢浓度低至 1×10⁶个 / 毫升时仍能检测到。这表明 Tb-CDs NAs 在实际应用场景中具有很大的潜力。

更重要的是，Tb-CDs NAs 能够有效监测细菌芽孢的萌发过程。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察发现，随着芽孢萌发时间的延长，显示红色荧光（碳点通道）的区域逐渐增加，到 30 分钟时，视野中的几乎所有芽孢都被照亮，表明萌发几乎完成。

在原位灭活方面，Tb-CDs NAs 在 660nm 激光照射下表现出强大的光动力性能。通过 ABDA 作为指示剂，证实了单线态氧（¹O₂）的有效产生。当 Tb-CDs NAs 浓度达到 800μg / 毫升并照射 30 分钟时，几乎实现了 100% 的抗菌效率。

图 5.细菌孢子萌发的成像。（a） 细菌孢子萌发的成像过程和底层机制的示意图。（b） 枯草芽孢杆菌孢子发芽不同持续时间的 CLSM 图像，然后添加 Tb-CDs NAs（上面的合并场和下面的 FL 场，激发波长为 405 nm）。

图 6.细菌孢子的原位活化。在 ABDA 存在下，在 660 nm 连续激光照射 （52 mW/cm 2） 下，（a） CD、（b） Tb-CDs NAs 和 （c） DPA 添加的 Tb-CDs NAs 分散体的时间依赖性紫外-可见吸收光谱。（d） 在 CDs、Tb-CDs NAs 和 DPA 2 添加的 Tb-CDs NAs 存在下，ABDA 在 378 nm 处的吸光度衰减。（e） 用不同浓度的 Tb-CDs NAs 处理的枯草芽孢杆菌孢子的平板照片，然后暴露于 660 nm 激光 （477 mW/ cm） 不同时间，f） 抗菌效率的相应统计直方图。

作用机制与应用前景

Tb-CDs NAs 的工作机制主要基于以下几点：DPA 与 Tb³⁺离子的强配位亲和力导致 Tb-CDs NAs 的解离，释放出碳点。这些游离的碳点对芽孢具有更高的亲和力，并通过生成单线态氧实现原位灭活。

这种多功能纳米平台为芽孢污染的防控提供了一种创新策略。在食品安全领域，它可以用于检测和灭活食品中的芽孢污染物，保障食品质量安全。在医疗卫生领域，特别是在应对生物恐怖主义和医院感染方面，该平台有望成为一种有效的工具。

未来的研究可以进一步优化纳米平台的性能，例如提高其灭活效率，拓展其对其他类型芽孢的检测和灭活能力。此外，开发更便捷的检测设备，实现现场快速检测和灭活，将进一步推动该技术的实际应用。

总之，Tb-CDs NAs 的开发为细菌芽孢的检测和灭活提供了一种多功能、高效的解决方案，在公共卫生和安全领域具有广阔的应用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2025.137296