涂有Ag NP的滤纸作为纳米粒子增强型激光诱导击穿光谱（LIBS）基底，用于钾的定量检测

《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》：Ag NP-coated filter paper as a nanoparticle-enhanced laser-induced breakdown spectroscopy substrate for quantitative detection of potassium

高效检测血清钾的纳米增强LIBS方法研究，通过Ag NPs滤纸优化提升钾检测灵敏度，在KCl溶液和FBS中检测限分别降至0.81和0.32 mmol/L，可识别0.5 mmol/L浓度变化，为临床诊断提供新工具。

　　在现代医学领域，血清钾（K）的准确监测对于临床诊断具有重要意义。钾离子在维持人体生理功能方面发挥着关键作用，包括细胞代谢、渗透压调节以及神经肌肉活动等。因此，能够快速、准确地检测血清中钾离子浓度的分析方法，对于保障患者健康和疾病治疗至关重要。然而，现有的检测技术在面对复杂生物样本时仍存在一定的局限性。例如，传统的原子光谱技术如电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）虽然具有较高的灵敏度和精度，但它们通常需要复杂的样品前处理步骤，如蛋白质消化，这不仅增加了实验的难度，也延长了检测时间。此外，这些方法的成本较高，且对环境条件的要求较为严格，难以在实际临床环境中广泛应用。

激光诱导击穿光谱（LIBS）作为一种新兴的光谱分析技术，因其无需复杂的样品前处理、设备成本相对较低以及能够在常温常压下快速检测等优势，受到了广泛关注。LIBS通过高能激光脉冲照射样品，使其产生等离子体，然后利用光谱分析技术检测等离子体发出的特征光谱，从而实现对元素的快速识别和定量分析。然而，LIBS在检测血清钾时也面临一定的挑战。其检测灵敏度和精度在复杂生物样本中往往受限，导致在低浓度或高浓度钾的检测中存在误差。因此，如何提高LIBS在复杂样本中的检测性能，成为当前研究的一个重要方向。

近年来，研究人员提出了一种利用纳米粒子增强LIBS性能的方法，即纳米粒子增强激光诱导击穿光谱（NELIBS）。通过在样品或基底上添加金属纳米粒子，可以显著增强光谱信号的强度，从而提高检测的灵敏度和精度。在这一背景下，银纳米粒子（Ag NPs）因其独特的光学和电学性质，成为研究的重点。Ag NPs能够增强局部电磁场，进而提升等离子体的发射效率，这对于提高LIBS的检测能力具有重要意义。

本研究旨在探讨银纳米粒子涂覆滤纸（Ag NPs paper）作为NELIBS基底材料，在血清钾检测中的应用效果。通过系统优化Ag NPs纸基底的制备工艺，我们发现，在使用1.5 mol/L NaCl溶液和中性pH值的胶体Ag NPs进行处理后，Ag NPs纸基底能够显著增强血清钾的检测信号。这不仅提高了检测的灵敏度，也使得在复杂生物样本中的定量分析更加可靠。实验结果表明，相较于常规LIBS，NELIBS在KCl溶液中的检测限（LoD）从2.29 mmol/L（89.3 mg/L）降低至0.81 mmol/L（31.6 mg/L），而在胎牛血清（FBS）中的检测限则从0.96 mmol/L（37.4 mg/L）降至0.32 mmol/L（12.5 mg/L）。这种显著的性能提升，使得NELIBS在临床诊断中展现出更大的应用潜力。

在实际应用中，血清钾的浓度变化往往非常细微，且对患者的健康状况具有重要影响。例如，当血清钾浓度低于3.5 mmol/L时，称为低钾血症（hypokalemia），可能导致肌肉无力等症状；而当浓度高于5.5 mmol/L时，则为高钾血症（hyperkalemia），可能引发心律失常甚至心脏骤停等严重后果。因此，能够精确检测这些细微浓度变化的分析方法，对于疾病的早期诊断和治疗监测至关重要。本研究通过优化Ag NPs纸基底的制备条件，成功实现了对血清钾浓度变化的高精度检测，能够可靠地区分浓度变化幅度仅为0.5 mmol/L的样本，这在临床实践中具有重要意义。

此外，本研究还对Ag NPs在滤纸纤维上的生长过程进行了系统分析，探讨了氯离子浓度、卤化物种类以及胶体Ag NPs的pH值等因素对Ag NPs生长和LIBS信号的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）图像和LIBS光谱信号的分析，我们确定了最优的Ag NPs生长条件，从而确保了基底材料的稳定性和检测结果的可重复性。这些优化措施不仅提高了检测的准确性，也为未来在复杂生物样本中的应用奠定了基础。

在实验设计上，我们选取了KCl溶液和FBS作为样本，涵盖了低钾、高钾以及正常钾浓度的范围。通过比较NELIBS与常规LIBS在检测限、灵敏度和回归参数等方面的性能差异，我们进一步验证了NELIBS在血清钾检测中的优越性。结果表明，NELIBS在所有测试条件下均表现出更高的检测灵敏度和更低的检测限，这表明其在复杂生物样本中的应用具有显著优势。

本研究的成果不仅拓展了LIBS技术在生物医学领域的应用范围，也为临床诊断提供了新的技术手段。通过使用Ag NPs纸基底，我们能够在不破坏样本的前提下，实现对血清钾的高精度检测。这种技术的推广和应用，有望在未来的临床实践中发挥重要作用，特别是在需要快速、准确检测电解质元素的场景中。此外，研究还揭示了Ag NPs在滤纸基底上的生长机制，为后续的材料优化和应用拓展提供了理论支持。

综上所述，本研究通过系统优化Ag NPs纸基底的制备工艺，成功提升了LIBS在血清钾检测中的性能。实验结果表明，NELIBS不仅能够显著提高检测的灵敏度和精度，还能有效区分细微的浓度变化，为临床诊断提供了新的可能性。这一研究为未来开发更高效、更便捷的生物样本检测方法奠定了基础，同时也为纳米增强技术在医学领域的应用提供了重要的参考价值。