从长角豆到碳点：荧光纳米传感器的可持续合成及其在药物、生物和环境样品中灵敏检测塞克硝唑的应用

《Talanta Open》：From Carob to Carbon Dots: Sustainable synthesis of Fluorescent Nanosensor for Sensitive Secnidazole Determination in Pharmaceutical, biological, and Environmental Samples

本研究针对塞克硝唑（SNZ）检测方法存在的耗时、灵敏度低、使用有害溶剂等问题，开发了一种基于长角豆提取物微波辅助快速合成氮掺杂碳纳米粒子（N-CNPs）的新型荧光纳米传感器。该传感器通过内滤效应（IFE）实现对SNZ的高选择性、高灵敏度检测（检测限2.8 μM），并成功应用于药品、尿液及环境水样分析，回收率良好（99.23%-101.6%）。该方法具有绿色环保、快速高效的特点，为SNZ监测提供了可持续的解决方案。

　　

在当今世界，抗生素的滥用和残留已成为一个严峻的公共卫生和环境问题。塞克硝唑（Secnidazole, SNZ）作为第二代5-硝基咪唑类抗菌药物，广泛用于治疗滴虫病、阿米巴病、细菌性阴道病和贾第鞭毛虫病等。然而，SNZ在人体内代谢缓慢，约10-25%的原形药物会在72小时内通过尿液排出，加之其本身生物降解性差，容易在环境中持久存在，从而对水生生态系统构成潜在威胁。因此，开发一种能够灵敏、快速、选择性地检测各种基质（如药品、尿液和环境水体）中SNZ的方法显得至关重要。

传统的SNZ检测方法，如分光光度法、电化学法、高效液相色谱法（HPLC）和已有的一些荧光分析法，往往存在一些局限性。它们要么过程繁琐耗时，要么灵敏度或选择性不足，要么需要使用大量有毒、有害的有机溶剂（如乙腈、二氯甲烷等），或者需要复杂的化学衍生化步骤。这些缺点不仅限制了其广泛应用，也与当前倡导的绿色分析化学理念相悖。荧光分析技术因其高灵敏度、高选择性、操作简便和成本低廉等优点而备受青睐。在荧光分析中，碳点（Carbon Dots）作为一种新兴的荧光纳米材料，因其低毒性、小尺寸、良好的生物相容性、水溶性、易于功能化和合成简单等优点，被认为是传统荧光染料和衍生化试剂的有力替代品。然而，以往报道的用于检测SNZ的碳点，其合成原料要么来源有限，要么是化学合成前体，缺乏可持续性；合成过程往往需要高温（如200°C）、长时间（如10小时）或特殊的仪器设备，能耗高且不够环保。因此，迫切需要一种更可持续、更快速、更灵敏的SNZ检测方法。

为了解决上述问题，本研究团队在《Talanta Open》上发表了一项创新性研究，他们成功开发了一种基于可持续来源的氮掺杂碳纳米粒子（N-CNPs）的荧光纳米传感器，用于灵敏、快速、绿色地检测SNZ。该研究的核心创新点在于利用一种常见且可再生的植物——长角豆（Carob）的果实提取物作为碳源和氮源，通过家用微波炉辅助的快速合成方法（仅需6分钟，700W）制备出了高荧光的N-CNPs。

为开展此项研究，研究人员主要运用了几个关键技术方法：首先，他们采用微波辅助合成法快速制备N-CNPs，该方法相较于传统水热法大大缩短了反应时间并降低了能耗。其次，他们利用多种光谱学表征技术对合成的N-CNPs进行了全面表征，包括透射电子显微镜（TEM）分析其形貌尺寸，X射线衍射（XRD）分析其晶体结构，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析其表面化学和元素组成，紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和荧光光谱分析其光学性质，并通过Zeta电位分析评估其稳定性。最后，他们建立了基于荧光猝灭效应的检测方法，系统优化了pH、缓冲液体积和N-CNPs用量等实验条件，并对方法的灵敏度、选择性、准确度和精密度进行了验证，同时将其应用于实际样品（药品、自来水、灌溉水和人尿液）的分析。值得注意的是，人尿液样本来自一名健康志愿者，并经过蛋白质沉淀预处理。

3.1. N-CNPs的绿色合成

研究人员将长角豆果实提取液置于家用微波炉中，在700瓦功率下辐照6分钟，成功合成了发蓝色荧光的N-CNPs。长角豆富含糖类、纤维素、单宁、氨基酸、类黄酮等多种生物活性成分，这使其成为制备发光N-CNPs的理想绿色前体。通过优化微波辐照时间，发现6分钟时获得的N-CNPs荧光量子产率最高，达到8%。

3.2. N-CNPs的结构表征和光学性质

通过TEM观察，所制备的N-CNPs呈类球形，分散性好，平均粒径约为6.3纳米。XRD分析表明N-CNPs具有短程石墨序的无定形碳结构。FTIR和XPS分析证实N-CNPs表面富含羟基（-OH）、羧基（-COOH）、氨基（-NH）等亲水官能团，并且成功实现了氮元素的掺杂。UV-Vis光谱显示N-CNPs在215纳米和290纳米处有特征吸收峰，分别对应于芳香核的π-π跃迁和羰基/胺基的n-π跃迁。荧光光谱表明，在355纳米光激发下，N-CNPs在440纳米处发出最强荧光，且其发射光谱具有激发波长依赖性。Zeta电位为-16.8毫伏，表明N-CNPs在水溶液中具有良好的胶体稳定性。

3.3. N-CNPs的稳定性

研究表明，N-CNPs的荧光强度在pH 2.0-12.0范围内会随pH升高而降低，但在酸性至中性条件下相对稳定，且发射峰位置基本不变。此外，N-CNPs具有良好的光稳定性和储存稳定性，在4°C下储存四个月后仍能保持90%以上的初始荧光强度。

3.4. 与已发表CQDs合成方法的比较

与以往报道的利用水热法（需要高温和长时间）或其他微波法（使用化学原料）合成碳点的方法相比，本研究采用的以长角豆为原料的微波辅助合成法更具优势：时间极短（6分钟）、能耗低、原料绿色可持续，且获得的N-CNPs具有较高的量子产率（8%）。

3.5. 利用N-CNPs作为荧光传感器测定SNZ：机理研究

研究发现，SNZ在330纳米处有强吸收峰，与N-CNPs的最佳激发波长（330纳米）重叠。当SNZ加入N-CNPs溶液后，N-CNPs的荧光强度会发生显著猝灭，且猝灭程度与SNZ浓度（10.0-200.0 μM）呈良好的线性关系。通过计算校正荧光强度和Stern-Volmer方程分析，证实荧光猝灭的主要机理是内滤效应（Inner Filter Effect, IFE），而非动态或静态猝灭。

3.5.1. SNZ分析条件的优化

通过系统优化，确定最佳检测条件为：Britton-Robinson缓冲液（BRB）pH 6.0，缓冲液体积1000微升，N-CNPs工作液体积500微升，检测波长λ_ex/λ_em = 330/425纳米。

3.6. 所开发方法的验证

该方法在10.0-200.0 μM浓度范围内线性良好（r = 0.9999），检测限（LOD）和定量限（LOQ）分别为2.8 μM和8.5 μM。日内和日间精密度试验的相对标准偏差（RSD）均小于2.75%，准确度良好。与已报道的分光光度法进行比较，统计检验（t检验和F检验）表明两种方法无显著性差异。

3.7. N-CNPs传感器的选择性

实验表明，常见的无机离子（如Ca²⁺, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Cl^-, SO₄^2-）、糖类（葡萄糖）、有机酸（柠檬酸）以及一些可能共存的药物（如维生素C、维生素B1、维生素B3、泼尼松龙、L-赖氨酸、L-组氨酸）对N-CNPs的荧光干扰很小（变化率在-4.32% 到 +6.08%之间），证明该传感器对SNZ具有优异的选择性。

3.8. 应用

3.8.1. 药品制剂中SNZ的分析

该方法成功用于两种市售SNZ片剂（Fladazole?和Cipazole?）的含量测定，平均回收率分别为99.52±1.37%和101.6±1.92%，结果与参考方法一致，表明该方法可用于药品质量控。

3.8.2. 自来水和河水中SNZ的测定

将方法应用于环境水样（自来水和灌溉水）中SNZ的检测。在加标回收实验中，自来水和水样的平均回收率分别为101.1±3.2%和99.23±1.11%，证明该方法适用于环境水样中SNZ残留的监测。

3.8.3. 人尿样中SNZ的检测

经过简单的蛋白质沉淀预处理后，该方法可用于人尿液中SNZ的测定。在30.0-80.0 μM浓度范围内线性良好（r=0.999），检测限为6.95 μM，平均回收率为100.4±1.56%，表明该方法在复杂生物基质中仍具有良好的准确度和可靠性。

3.9. 方法绿色度评估

使用AGREE和ComplexGAPI软件对方法的绿色度进行评估。AGREE得分为0.74，ComplexGAPI图示也显示出高度的绿色特性，表明该方法在整个生命周期（从合成到分析）均符合绿色化学原则，主要体现在使用可再生原料、避免有害溶剂、能耗低、废物产生少等方面。

3.10. 方法蓝色度（适用性）评估

使用蓝色适用性等级指数（BAGI）进行评估，得分72.5，表明该方法在分析效率、通量、自动化程度和样品需求量等方面具有较好的适用性。

3.11. 与已报道的SNZ测定方法比较

与以往报道的SNZ检测方法（包括分光光度法、电化学法、HPLC法和其它荧光法）相比，本研究开发的方法在绿色环保性、分析速度、操作简便性以及避免使用有毒试剂方面具有明显优势，同时保持了较高的灵敏度和准确性。

4. 结论

本研究成功开发了一种基于可持续来源的N-CNPs的新型荧光纳米传感器，用于快速、灵敏、选择性地检测SNZ。该方法的创新之处在于：利用可再生资源长角豆，通过快速、低能耗的微波法合成高性能N-CNPs；基于内滤效应建立了高效的SNZ检测平台；方法经过充分验证，绿色环保，并成功应用于药品、环境水样和生物样本（尿液）的实际分析，为SNZ的监测提供了一种可靠、可持续的解决方案，在药物质量控制、临床治疗监测和环境污染物评估等领域具有广阔的应用前景。