双功能氮掺杂碳量子点：对乳酸/L-精氨酸具有高度选择性，可通过智能手机实现检测，其作用机制及应用

《Journal of Colloid and Interface Science》：Dual-functional nitrogen-doped carbon quantum dots: Highly selective and smartphone detection of lactic acid/ L-arginine, mechanisms and applications

氮掺杂碳量子点通过水热法制备，实现高选择性乳酸和L-精氨酸检测，检测限分别为3.13和4.92 μmol·L?1，机理涉及氢键和电子效应协同作用，并验证其在斑马鱼体内成像和食品检测中的应用潜力。

　　在现代生物化学、疾病诊断和食品监督等领域，乳酸（LA）和L-精氨酸（L-Arg）的检测具有重要的意义。这两种物质在生物体内广泛存在，不仅参与了生理代谢过程，还在临床诊断和食品工业中发挥着关键作用。例如，乳酸作为发酵食品质量评估的重要指标，其浓度水平直接反映了食品的新鲜度和发酵状态。在酸奶、泡菜等发酵食品中，乳酸菌的代谢活动会生成乳酸，赋予食品独特的风味和质地。同时，乳酸的积累还能调节食品的酸度，抑制腐败菌的生长，延长食品的保质期。相比之下，L-精氨酸作为一种半必需氨基酸，不仅在人体内具有调节一氧化氮水平、改善男性生殖健康的作用，还具有免疫调节功能。然而，在某些特殊情况下，如生长发育期、创伤或慢性疾病，人体可能难以自行合成足够的L-精氨酸，因此需要依赖外部摄入。L-精氨酸的摄入需要严格控制，过量摄入可能引发酸碱失衡、胃肠道不适以及神经系统发育异常等问题。因此，建立一种高灵敏度、高选择性的检测技术对于食品质量控制、疾病预警和精准营养干预具有重要意义。

传统检测方法在LA和L-Arg的检测中存在诸多局限性。例如，色谱技术（如高效液相色谱HPLC、液相色谱-质谱联用LC-MS/MS、气相色谱GC）虽然具有较高的灵敏度，但通常依赖有害的有机溶剂，这不仅对环境和人体健康构成威胁，而且操作复杂、成本高、耗时长。光谱酶法（如分光光度法、酶法）虽然操作简便，但容易受到样品基质颜色的干扰，且浓度过高或过低时容易引入测量误差。电化学方法虽然具有较高的检测效率，但其性能依赖于传感表面的导电性，且在复杂样品中容易受到干扰。相比之下，荧光传感器在近年来展现出巨大的潜力，尤其是在检测LA和L-Arg方面。碳量子点（CQDs）作为一种新兴的荧光材料，因其低成本、可调节的激发和发射特性、优异的光化学稳定性和良好的生物相容性，被广泛应用于多种检测领域。因此，基于荧光的碳量子点检测技术逐渐成为一种高效、多用途的检测手段。

然而，目前关于LA和L-Arg的检测研究仍较为有限。例如，一些研究者使用氮和磷共掺杂的碳量子点作为葡萄糖和乳酸传感器，但在实际应用中仍存在一定的挑战。此外，利用天然种子作为前驱体的检测方法虽然在食品添加剂的检测中取得了一定进展，但其操作复杂，且对样品基质的干扰较为严重。目前，尚无基于碳量子点的LA和L-Arg双重功能检测技术的报道。因此，开发一种具有高灵敏度和高选择性的碳量子点检测技术，成为当前研究的重点。

本研究采用了一种简单、高效且成本低廉的水热法，利用异樟脑酐（ISA）和1,2,4-三氨基苯二氯化物（1,2,4-TAB·2HCl）作为前驱体，合成了氮掺杂碳量子点（N-CQDs）。ISA作为一种具有乳酸结构的重要化学中间体，能够与亲核试剂如胺类发生反应，去除二氧化碳，并在邻位形成酰胺和氨基基团。作为N-CQDs的前驱体，ISA不仅能够提供芳香碳骨架，使其形成共轭的sp2碳核心，其酐基团还能增强水溶性，并作为识别位点。1,2,4-TAB·2HCl含有三个主要的氨基基团，这些氨基基团不仅能够作为高密度的氮源，调节N-CQDs的荧光特性，还能通过与ISA的酐基团发生缩合反应，形成刚性的共轭碳骨架。N-CQDs在345 nm激发波长下表现出明显的蓝色荧光（λem = 440 nm），其表面富含氨基和羧基基团，能够形成动态的氢键网络，从而提供分子识别位点，实现对LA和L-Arg的高灵敏度检测。

在实验过程中，对N-CQDs的结构和表面化学状态进行了详细表征。通过透射电子显微镜（TEM）观察材料的微观结构，确认其为纳米级的碳量子点。同时，利用X射线光电子能谱（XPS）分析材料的表面化学状态，进一步验证其氮掺杂的程度。此外，通过密度泛函理论（DFT）计算，推测N-CQDs在LA和L-Arg识别中的作用机制。研究发现，N-CQDs对LA的检测具有高选择性，其检测限低至3.13 μmol·L?1，能够引起荧光强度的降低和发射波长的红移（444 nm至504 nm），同时颜色从蓝色变为绿色。而对于L-Arg的检测，N-CQDs表现出显著的荧光增强效应，其检测限为4.92 μmol·L?1。这些特性表明，N-CQDs在LA和L-Arg的检测中具有良好的性能。

除了检测性能的验证，本研究还探讨了N-CQDs在生物应用中的潜力。通过观察处理后的斑马鱼胚胎和幼鱼的存活情况，评估N-CQDs的生物相容性。实验结果显示，N-CQDs在20 mg·L?1的浓度下对斑马鱼胚胎和幼鱼没有明显的毒性，且能够引起体内可检测的荧光变化。这表明，N-CQDs在生物成像、信息加密和食品检测等方面具有广泛的应用前景。例如，在生物成像领域，N-CQDs可用于斑马鱼体内荧光成像，为研究生物体内的代谢过程提供新的工具。在信息加密方面，N-CQDs的荧光特性可以用于开发新型的加密技术，提高信息的安全性。在食品检测方面，N-CQDs可以用于对实际样品中LA和L-Arg的定量检测，为食品质量控制提供可靠的数据支持。

此外，本研究还对N-CQDs在实际样品中的检测能力进行了验证。通过与传统检测方法的对比，发现N-CQDs在检测LA和L-Arg时具有更高的灵敏度和选择性，且操作简便，无需复杂的仪器设备。这使得N-CQDs在实际应用中更加便捷，尤其适用于资源有限的地区或现场检测场景。同时，N-CQDs的荧光特性稳定，能够在多种环境条件下保持良好的性能，这为其实用化提供了保障。

综上所述，本研究成功制备了一种具有高灵敏度和高选择性的氮掺杂碳量子点（N-CQDs），并验证了其在LA和L-Arg检测中的应用潜力。N-CQDs不仅在检测性能上表现出色，还具有良好的生物相容性和光化学稳定性，为食品质量控制、疾病预警和精准营养干预提供了新的工具。未来，N-CQDs有望在更多领域得到应用，如生物成像、信息加密和环境监测等，进一步推动相关技术的发展。