ATR-FTIR光谱技术与深度学习相结合，用于识别和定量检测三七（Panax notoginseng）的掺假行为

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：ATR-FTIR spectroscopy coupled with deep learning for the identification and quantitative detection of Panax notoginseng adulteration

铝掺杂碳点（Al-CDs）通过一步水热法制备，具有高荧光量子产率（55.17%）和优异的Hg2?选择性检测能力（LOD 0.018 μM），并成功应用于真实水样分析，同时开发了基于智能手机的便携检测系统。

　　

王东汉|孟向志|单亚冰|朱世宇|林子文|沈飞|侯娟

吉林省国际光功能材料与化学联合研究中心化学与环境工程学院，长春科技大学，长春，130022，中国

摘要

由于重金属离子（尤其是汞（Hg²⁺）的高毒性、在环境中的持久性以及对人类健康的严重风险，对其的监测变得越来越重要。本文采用一步水热法，以谷胱甘肽和AlCl₃·6H₂O为前驱体，合成了铝掺杂的碳点（Al-CDs）。所得Al-CDs发出强而稳定的荧光，量子产率达到55.17%。Hg²⁺能够高效且选择性地淬灭Al-CDs的荧光，使得检测限低至0.018?μM。这种传感方法对Hg²⁺具有显著的选择性，优于其他离子和生物分子。在实际水样中的应用中，该方法取得了良好的回收率。为了支持现场检测，开发了基于智能手机的传感系统和便携式荧光试纸，提供了一种方便、低成本且用户友好的汞监测方法。本研究表明Al-CDs作为环境分析的高效荧光探针具有巨大潜力，为有毒重金属离子的简便可视化检测提供了实用策略。

引言

重金属污染是一个全球性的挑战，因为它在环境中长期存在、具有高毒性，并能在生物体内积累[1,2]。汞离子（Hg²⁺）是最有害的之一，因为它们容易溶解在水中，一旦进入人体，会对大脑、神经系统和视力造成不可逆的损害[3]。这些风险凸显了迫切需要开发快速可靠的方法来检测Hg²⁺，以保护环境和公共健康。

传统的Hg²⁺检测技术包括原子吸收/发射技术[4]、X射线吸收光谱法[5]、电感耦合等离子体质谱法[6]和离子色谱法[7]。尽管这些方法具有高精度，但往往受到高成本、复杂性和实时监测受限的制约。因此，需要简单且成本效益高的替代方法。碳点（CDs）因其良好的光学特性、低毒性和易于制备而受到广泛关注[8]。然而，由于非辐射复合和表面缺陷导致其荧光量子产率较低，这降低了它们检测污染物（如Hg²⁺）的灵敏度[9,10]。

近年来，异原子掺杂已成为调节CDs荧光特性的有效方法。非金属掺杂（如氮（N）和硫（S）已被广泛报道可以改变电子结构并增强光学性能[11,12]。例如，Behera等人制备了具有强蓝光荧光和对Hg²⁺高灵敏度的N-CDs，检测限可低至12?nM[13]。与非金属掺杂剂相比，金属具有更多的价电子、更大的原子半径和空轨道，为调节带隙和电荷分布提供了更多可能性[14]。Liu等人证明，锌掺杂将CDs的结晶度和量子产率从14.7%提高到28.6%，从而能够准确检测实际样品中的四环素[15]。Waluyo等人报道了N和Na共掺杂的CDs，可以分别检测Fe³⁺和Ag⁺，检测限分别为0.25?μM和0.14?μM[16]。已经开发了金属掺杂的CDs，如锰（Mn）、铁（Fe）和稀土元素，用于生物成像和传感应用。这些研究表明，金属掺杂可以显著提高荧光量子产率、结构稳定性和对特定目标的选择性[[17], [18], [19]]。然而，需要进一步研究以探索它们的荧光行为并扩展实际环境应用。

在这项工作中，我们开发了铝掺杂的CDs（Al-CDs），用于灵敏和实时的Hg²⁺检测。铝的存在提高了荧光量子产率，并增强了稳定性和灵敏度。还引入了基于智能手机的系统，以实现便携和低成本的检测。在实际水样中的成功应用证实了其可靠性、实用性和有效性。总体而言，本研究表明，金属掺杂的CDs（如Al-CDs）是实用的环境监测和公共卫生保护的的有希望工具。

材料

谷胱甘肽和大多数金属盐从Aladdin购买。其他试剂，包括乙二醇、MnCl₂·4H₂O、Na₂S₂O₃、抗坏血酸、尿素、葡萄糖和氨基酸，从Macklin购买。ZnSO₄由上海试剂公司提供。Na₂CO₃从Bidder Pharmaceutical获得。所有试剂均为分析级，按接收状态使用，未经进一步修改或处理。超纯水（电阻率为18.2?MΩ·cm）使用Millipore JL-RO100 Q Plus水制备

制备条件的优化

在本研究中，采用简单的水热法合成Al-CDs，以谷胱甘肽（GSH）作为碳源，AlCl₃·6H₂O作为掺杂剂。如图S1所示，对照实验确认了AlCl₃·6H₂O的关键作用。仅用单一前驱体或GSH与葡萄糖或柠檬酸合成的CDs发出微弱的蓝光荧光。此外，在相同条件下未添加AlCl₃·6H₂O时，也合成了蓝色的GSH-CDs。随后向GSH-CDs溶液中添加Al³⁺并未改变其性质

结论

本研究开发了一种简便、成本效益高且环保的方法来制备Al-CDs，这些CDs表现出强绿色荧光和55.17%的高量子产率。基于Al-CDs的探针对Hg²⁺具有优异的灵敏度和选择性，检测限低至0.018?μM。在实际水样中的应用验证了其可靠性，回收率范围为97.66%至104.82%。基于Al-CDs的荧光试纸也实现了Hg²⁺的快速可视化检测

资助

本工作得到了吉林省自然科学基金（项目编号：YDZJ202401554ZYTS）的联合资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Shiyanjia实验室在测试方面的帮助（http://www.shiyanjia.com）。