一种新型碳点组合，用于构建双通道荧光传感器阵列，以实现生物硫醇的区分与检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A novel carbon dots pair for the construction of a dual-channel fluorescent sensor array for discrimination and detection of biothiols

双通道荧光传感器阵列基于两种不同碳点（A-CDs和B-CDs）合成，通过Fe3?介导实现六种生物硫醇（包括GSH和GSSG）的高灵敏度（150 μM）和特异性检测，盲样识别准确率达97.2%，成功应用于尿液样本分析。

　　

刘宇文|徐文|李静|李璐双

教育部热带生物资源重点实验室，海南大学药学院，One Health协同创新中心，海口570228，中国

摘要

生物硫醇类物质，如半胱氨酸（Cys）、同型半胱氨酸（Hcy）和谷胱甘肽（GSH），是参与氧化还原稳态、解毒代谢和细胞信号传导的关键生物分子。它们浓度的变化与多种疾病密切相关。然而，传统的生物硫醇检测方法通常复杂、耗时且成本较高。在本研究中，我们开发了一种基于两种不同碳点（A-CDs和B-CDs）的双通道荧光传感器阵列，这些碳点是在精确控制的制备条件下使用柠檬酸和半胱氨酸作为前体合成的，包括氧化剂和溶剂的选择。通过利用A-CDs和B-CDs对生物硫醇和Fe³⁺的不同响应，该传感器阵列能够为每种生物硫醇生成特定的荧光响应指纹。在最佳条件下，该阵列能够有效区分六种生物硫醇，包括结构相似的GSH和GSSG，灵敏度达到150 μM。盲样识别实验表明，对于单一生物硫醇样本的准确率为97.2%，实际应用测试也证实了该阵列能够准确区分尿液中的六种生物硫醇。这项研究提出了一种创新且高效的方法，用于同时检测生物硫醇，展示了其在疾病诊断和生物标志物分析中的潜在应用。

引言

生物硫醇类物质含有巯基（-SH），是不可或缺的生物分子，在体内发挥着重要作用[1]，例如调节氧化还原稳态、参与解毒代谢、介导细胞信号传导等。它们浓度的变化与多种疾病密切相关。半胱氨酸（Cys）水平升高可能导致神经毒性，而水平不足则可能导致代谢紊乱，如头发脱色、水肿、生长迟缓和皮肤损伤[2]。同型半胱氨酸（Hcy）的积累与阿尔茨海默病神经病理学的加速和心血管内皮损伤的加重有关[3]。作为主要的抗氧化剂，谷胱甘肽（GSH）的代谢异常与肝损伤、艾滋病进展和肿瘤增殖有关[4]。氧化型谷胱甘肽（GSSG）与GSH之间的动态平衡是细胞氧化应激的直接指标，对于评估慢性肾病和哮喘至关重要[5]。因此，检测生物硫醇对于维持健康至关重要。

目前，生物硫醇的检测主要依赖于传统方法，如高效液相色谱（HPLC）[6]、气相色谱-质谱（GC–MS）[7]、电化学分析[8]和化学发光[9]。然而，这些方法通常涉及复杂的程序、对仪器的依赖性高、检测时间长且成本较高。因此，开发一种快速、准确、高通量且经济高效的生物硫醇检测方法对于满足临床需求和促进早期疾病诊断及有效监测至关重要。荧光传感技术因其出色的灵敏度、优异的选择性、操作简便性和快速响应性而受到广泛关注[10,11]。碳点（CDs）作为一种新兴的荧光纳米材料，具有优异的荧光性能、几乎无毒、良好的光稳定性、易于合成以及表面功能化[12]。研究人员已经成功开发了多种基于CDs的荧光传感器，用于多种目标检测应用[13]，展示了这类材料在荧光传感器构建领域的巨大潜力。尽管已经开发了一些用于生物硫醇检测的基于CDs的传感器[14,15]，但大多数仅针对GSH。由于生物硫醇之间的结构和性质高度相似，同时区分和检测多种生物硫醇是一个重大挑战。

由多个具有针对目标分析物不同选择性的传感单元组成的传感器阵列可以为每个目标分析物生成特征响应模式。这些响应模式可以通过主成分分析（PCA）、层次聚类分析（HCA）和线性判别分析（LDA）等统计方法进行解码，从而实现多个相似检测目标之间的有效区分。传感器阵列为同时区分多种生物硫醇提供了可行的解决方案。一些研究人员已经探索了基于CDs的荧光传感器阵列的开发，用于识别和检测多种生物硫醇[[16], [17], [18], [19]]。然而，现有研究存在显著局限性，主要表现在无法有效区分结构高度相似的生物分子（如GSH和GSSG）。此外，传感器阵列的多通道设计往往会导致操作程序复杂化和误差增加。因此，探索具有增强识别能力和简化操作程序的新型基于CDs的荧光传感器阵列至关重要。

在本研究中，通过精确控制制备条件，成功合成了两种具有独特光学特性的CD（A-CDs和B-CDs）。在Fe³⁺的辅助下，这种两步传感系统的两个通道对生物硫醇表现出敏感且不同的响应。这导致了一种双通道荧光传感器阵列的成功开发。在优化条件下，包括结构相似的GSH和GSSG在内的六种生物硫醇在阵列中产生了特征荧光响应指纹。LDA的结果表明，该阵列能够在150 μM至1.2 mM的浓度范围内有效区分这六种生物硫醇。在盲样识别实验中，单一生物硫醇样本的分类准确率达到97.2%，并且也成功区分了尿液样本中的生物硫醇，证实了其在复杂生物基质中的潜在应用。这项工作提出了可控制备CDs的新方法，并提供了一种有效的方法，用于同时区分和检测多种生物硫醇，显示出其在临床应用中的潜力。

部分内容摘录

化学物质和试剂

谷胱甘肽（GSH）、半胱氨酸（Cys）、同型半胱氨酸（Hcy）、n-乙酰半胱氨酸（NAC）、硫化氢（H₂S）、半胱胺（CysNH₂）、葡萄糖（Glu）和柠檬酸（CA）均来自中国上海的Aladdin Chemical Reagent Co., Ltd。FeCl₃·6H₂O、NaCl、KCl、CaCl₂、MgSO₄、FeSO₄·7H₂O、ZnSO₄、酪氨酸（Tyr）、丙氨酸（Ala）、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、苏氨酸（Thr）、脯氨酸（Pro）、苯丙氨酸（Phe）、丝氨酸（Ser）、n-二甲酰胺（DMF）、甘油、重铬酸钾（K₂Cr₂O₇）等试剂。

CD的制备

双通道传感器阵列由两组荧光传感单元组成，每组对不同目标具有不同的响应特性。在本研究中，详细探讨了CD的制备条件，以获得双通道传感单元。选择柠檬酸（CA）作为碳源，并通过筛选掺杂剂，确定将半胱氨酸（Cys）引入反应体系后，所得CD的量子产率（QY）可提高至76.7%

结论

总之，本研究成功开发了一种双通道荧光传感器阵列，利用两种不同的CD（A-CDs和B-CDs）同时区分和检测六种生物硫醇。该传感器阵列在Fe³⁺的介导下，即使对于结构相似的GSH和GSSG也能表现出优异的区分能力，灵敏度达到150 μM。该阵列在盲样识别中的高准确率及其在尿液样本中的成功应用，突显了其实际应用潜力。

CRediT作者贡献声明

刘宇文：方法学、原始稿撰写。徐文：方法学、研究、数据管理、软件。李静：概念构思、监督、数据管理、资金获取。李璐双：概念构思、撰写–审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢湖北省自然科学基金襄阳创新与发展联合基金会（编号2025AFD098）、襄阳中心医院青年人才发展计划（2025RCYC-034）以及襄阳中心医院科研项目（2024YJ04A）的财政支持。