近日，中国农业大学唐刚老师与曹永松老师团队在《Small 》发表名为"Smart Incorporation of Fluorescent Carbon Dots With Photosynthesis-Inhibiting Herbicide for Promotion of Sustainable Weed Management " 的期刊论文。该团队以廉价柠檬酸、尿素为原料，无溶剂常压一步热解法制备 CU 碳点；同步混入光敏感除草剂氟草灵（ACI），依靠氢键、π-π 堆积、疏水非共价作用自组装得到荧光纳米组装体 ACI@CU CDs；CU 碳点可吸收太阳光紫外波段并转化为叶绿素前体原卟啉 IX 的激发可见光，强化光氧化单线氧生成，大幅提升不同光照下除草效果；制剂能降低氟草灵土壤淋溶流失，对大豆、蚕豆靶标作物低毒，且不破坏土壤酶与微生物群落，构建光增效、低环境风险的绿色纳米除草剂递送体系。
发表日期：2026年5月20日
关键词：碳点；除草剂；光响应除草活性；环境安全性；荧光纳米组装体
二苯醚类除草剂属于光合抑制型药剂，因用药量低、防效优异、适用于苗后阔叶杂草防除，应用范围十分广泛。该类除草剂的除草活性高度依赖光照：药剂进入杂草后抑制原卟啉原氧化酶（PPO），阻断叶绿素与血红素合成通路，致使叶绿体中原卟啉原 IX 大量累积并自氧化生成原卟啉 IX；原卟啉 IX 是强光敏剂，吸收光能后将能量传递给氧气，生成单线氧等活性氧，对细胞膜、蛋白、核酸造成严重氧化损伤，最终致使杂草枯死。碳点（CDs）是无金属准零维碳基纳米材料，具备粒径小、荧光可调、水溶性佳、生物相容性好、低毒等优势，在多领域广受关注。得益于独特光学特性，碳点在农业中可调控植物光合作用，具备巨大应用潜力。植物叶绿体仅能利用 400–700 nm 可见光进行生化反应，占太阳能约 8.7% 的紫外波段通常无法被植物光合系统吸收；叶面施用的小尺寸碳点可穿透植株叶片生物屏障并富集于细胞质，与叶绿体形成复合体系，将太阳光紫外区段光能原位转化为可见光，拓宽光能利用范围，提升光合效率。已有试验证实叶面喷施氮掺杂碳点可提升玉米净光合速率，镁氮共掺杂碳点处理水稻幼苗后光合活性大幅提高，证明碳点可作为光转换介质，帮助植物更充分捕获太阳能。氟草灵（ACI）是典型二苯醚光合抑制除草剂，药效高度受光照强度、波长影响；同时分子土壤吸附能力弱，淋溶指数达 3.15，极易随降水迁移污染水环境。该团队前期利用阳离子碳点与氟草灵非共价共组装构建纳米体系，虽能提升除草活性，但合成原料昂贵、步骤冗长，难以实际落地。该团队选用廉价小分子柠檬酸、尿素为前驱体，在常压无溶剂体系 180 ℃下热解制备 CU 碳点；制备过程同步投入氟草灵，体系依靠多重非共价作用自发形成荧光纳米组装体 ACI@CU CDs。整套制备工艺简单绿色，所得纳米复合物可在强弱不同光照条件下稳定提升除草效果，对大豆、蚕豆等靶标作物安全性高，同时显著降低药剂土壤淋溶风险，对土壤酶活与微生物群落干扰极小。本研究建立碳点与光敏感除草剂一体化简易制备方案，为高效、环境友好型可持续杂草治理提供全新纳米剂型思路。图1(a) 不同柠檬酸 / 尿素配比熔融熔点；(b)(c) 荧光发射、激发光谱；(d) 紫外吸收；(e) 反应体系 pH；(f-h) 不同加热时长的紫外、荧光光谱；(i) 加热后体系 pH 变化，确定最优原料比例 0.96:0.90、加热 8 min。图2为(a) 丁达尔效应照片；(b) 粒径分布平均 6.42 nm；(c) Zeta 电位 - 12.6 mV；(d-e) TEM 高分辨晶格；(f) XRD 石墨碳特征峰；(g) 拉曼 D/G 带；(h) 电导率；(i) 荧光量子产率 41.33%，证实碳点尺寸均匀、荧光性能优异。图3为(a-d) 0.1/0.2/0.3/0.4 g ACI 对应的丁达尔、Zeta、粒径；(e-g) 紫外、荧光光谱证明复合后光学性能保留；(h) 不同加热时间 HPLC，证明加热不降解氟草灵，最优添加量 0.3 g。图4为(a) TEM 整体形貌；(b) 氟元素元素映射证明药剂均匀分布；(c)¹H、¹³C 核磁，(d) 红外 FTIR；(e-f) TG 热重、DSC 差热分析，证明依靠氢键、π-π、疏水非共价结合，热稳定性良好。图5为分别解析尿素、柠檬酸、CU 碳点、纯氟草灵、组装体 C1s/N1s/O1s 化学键，验证复合后官能团变化，佐证非共价组装作用。图6为分步展示柠檬酸 - 尿素氢键熔融、热解碳化生成碳点；氟草灵同步通过多重弱相互作用嵌入碳点骨架，完整阐述自组装分子机制。图7为(a-c) DPBF 探针显色与吸光定量，ACI@CU CDs 组单线氧产量最高；(d-f) 三类土壤淋溶曲线，组装体氟草灵淋溶率显著低于纯药剂，水土污染风险下降。图8为(a-b) 强光、弱光下牵牛花叶绿素、鲜重抑制率；(c-d) 杂草叶片荧光成像证明药剂快速渗透；(e) 大田不同天数防效；(f) 完整光增效除草通路示意图，碳点补充可见光，大量单线氧破坏杂草叶绿体。图9为(a) 细菌、(b) 真菌群落热图、物种韦恩图、PCoA 主坐标分析；各处理菌群多样性、优势属无明显差异，制剂不会破坏土壤微生物稳态。图10为(a) 细菌、(b) 真菌群落热图、物种韦恩图、PCoA 主坐标分析；各处理菌群多样性、优势属无明显差异，制剂不会破坏土壤微生物稳态。该研究以廉价柠檬酸、尿素为前驱体，采用常压无溶剂一步热解法快速制备高荧光 CU 碳点，制备过程同步混入氟草灵可通过氢键、π-π 堆积、疏水多重非共价相互作用自发形成球形荧光纳米组装体 ACI@CU CDs，最优工艺下组装体平均粒径 169 nm、Zeta 电位 - 45.3 mV、氟草灵载药量 24.18%；光学测试证实 CU 碳点可捕获太阳光紫外波段并转换为原卟啉 IX 所需激发可见光，DPBF 探针检测显示组装体可显著提升单线氧生成量；温室强弱光盆栽与大田试验表明，相较于纯氟草灵，ACI@CU CDs 不受光照强度限制，对反枝苋、牵牛花等阔叶杂草除草活性大幅提升；土壤淋溶试验证明组装体可显著降低氟草灵土壤淋溶流失，减轻地下水污染风险；蚕豆根尖遗传毒理与大豆幼苗生测显示该纳米制剂对靶标作物无明显基因毒性与生长药害；30 d 土壤培养试验表明制剂不会改变脲酶、β- 葡萄糖苷关键酶活性，土壤细菌、真菌群落多样性与优势菌群结构无显著扰动；该研究建立一步绿色合成碳点 - 光敏感除草剂纳米组装新方法，解决传统二苯醚除草剂药效依赖光照、易水土淋溶两大短板，同时兼顾作物与农田微生物生态安全，为可持续杂草防控提供低成本、易产业化的纳米农药新方案。文章题目：Smart Incorporation of Fluorescent Carbon Dots With Photosynthesis-Inhibiting Herbicide for Promotion of Sustainable Weed Management.
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