碳点具有优异的光学性能和低的毒性，在生物医学等各个研究领域受到了广泛关注。然而，要实现碳点的大规模合成，同时保持应用所需的功能性是极具挑战性的一个难题。目前广泛应用的合成碳点的方法是水热法，其优点是适合工业化生产。但是在水热反应中不受控的碳化过程是一个关键问题，导致碳点的大小不一致和表面官能团的损失。这一问题严重影响了生产过程的稳定性和产物的均一性，阻碍了碳点从实验室研究向临床应用的过渡。为了解决这一问题，邢更妹和李娟研究团队提出一种竞争性的反应策略来调控碳点的合成过程。

本研究设计了4-二羟硼基-L-苯丙氨酸作为碳点水热合成反应的调节剂。4-二羟硼基-L-苯丙氨酸的分子特征是在苯环的对位存在一对苯硼酸官能团和氨基酸官能团，二者都能和葡萄糖上的羟基发生反应。巧妙的利用苯硼酸和氨基官能团相互竞争反应的机制来调节和控制碳点合成反应，保护和维持特征官能团，实现生物医学应用所需要的功能官能团的保留。

更进一步的，为了更好的解析使用这种策略合的碳点在反应过程中的变化，使用基于同步辐射X射线吸收近边结构光谱（XANES）准原位观察碳点形成过程。通过XANES允许在复杂的反应体系中随时观察碳点的结构变化，并可以根据需求分离纯化。

该研究还揭示了碳点形成中的“慢化现象”反应机制，竞争性反应使得活性中间体5-羟甲基糠醛（HMF）的生成被抑制，同时反应体系中的氨基酸起到了降低表面张力的作用。利用这种慢化的合成策略，团队还实现了百克级碳点的稳定生产，产物在粒径分布、荧光特性和官能团保留率等关键指标上保持高度一致，过程能力指数Cp和过程能力k指数Cpk分别提升32%和56%，显著优于传统方法，解决了碳点合成中功能基团保留和粒径控制的关键问题，为工业化放大提供了可靠技术路径。

功能化碳点表面的氨基酸残基还可通过肿瘤细胞表面的氨基酸转运体和葡萄糖转运体实现双重靶向摄取。高的硼含量和荧光特性使这种功能性碳点有望成为硼中子俘获治疗（BNCT）的新型硼载体，在生物医学领域展现出巨大应用潜力。研究团队通过分子设计实现功能基团在复杂反应中的精准保留，为碳点材料在肿瘤治疗、生物成像等领域的临床转化提供了新的思路。

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

中国科学院高能物理研究所的博士研究生王志杰为第一作者，通讯作者为中国科学院高能物理研究所李娟副研究员、邢更妹研究员。本研究由国家重点研发计划支持并依托中科院北京同步辐射设施（BSRF）下开展，XAENS的表征和分析在北京同步辐射装置4B7B线站的支持下完成。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c00618

利用同步辐射准原位技术揭示功能碳点结构演变中的竞争与慢化反应机制

同步辐射X射线吸收近边结构光谱（XANES）准原位观察碳点形成过程与机理探讨