新型合成方法：制备带正电荷的N,S掺杂碳点，作为高效的荧光探针用于L-天冬氨酸的检测

《Nanoscale Advances》：Novel synthesis of positively charged N,S-doped carbon dots as an efficient fluorescent probe for L-aspartic acid sensing

氮硫掺杂碳点（N,S-CDs）通过水热法将碳粉末与L-半胱氨酸反应合成，具有正电荷、尺寸1.77 nm、荧光量子产率25.14%，对L-天冬氨酸检测限2 nM，淬灭机制包括静态（静电结合）和动态（还原光诱导电子转移）。其稳定性好，pH响应性强。

　　
本研究提出了一种新型水热合成方法，成功制备了氮硫共掺杂碳点（N,S-CDs），并系统研究了其荧光特性及L-天冬氨酸传感性能。该方法以蔗糖碳化得到的非分子碳前驱体与L-半胱氨酸为原料，通过优化碳与氨基酸的摩尔比（1:3），获得了具有高荧光量子产率（25.14%）和优异稳定性的荧光探针。研究揭示了掺杂异原子对碳点电子结构及光学性能的调控机制，并首次实现了碳点对L-天冬氨酸的特异性荧光检测（检测限2 nM）。

碳点因其独特的零维结构、可调光学性质和生物相容性，已成为荧光探针研究的热点。本研究突破传统合成方法限制，采用非分子碳前驱体与有机氨基酸协同水热反应，构建了碳核-氨基酸掺杂的复合体系。通过对比不同配比（1:1至1:7）的合成产物，发现当碳粉与L-半胱氨酸摩尔比为1:3时，形成的N,S-CDs在荧光强度（较纯碳粉提升约3倍）和量子产率方面达到最优，这可能与碳核表面形成均匀的氮硫掺杂层有关。

材料表征显示，N,S-CDs平均粒径仅1.77 nm（TEM观测），且具有窄分布（DLS显示58%颗粒集中于1.49 nm附近）。X射线衍射（PXRD）证实碳核在热解过程中发生结构重构，形成有序的石墨微晶（002晶面间距0.38 nm），较原料碳粉（0.48 nm）更高度石墨化。能谱分析（EDX）显示C、N、O、S元素占比分别为60.19%、8.17%、27.01%、4.34%，硫元素的存在显著增强了碳点的表面亲水性。X射线光电子能谱（XPS）进一步揭示表面存在C-S-C、C-N、C-O等特征键合，其中硫掺杂通过形成稳定的磺酸基团（-SO?H）提升了表面电荷稳定性（zeta电位+4.33 mV）。

荧光特性研究表明，N,S-CDs在320 nm激发下呈现特征性的蓝荧光发射（中心波长396 nm），其荧光寿命达2.63 ns，表现出优异的化学稳定性和光稳定性（紫外照射60分钟无显著衰减）。通过系统测试pH（2.6-12.4）、离子强度（0-1.5 M NaCl）等环境因素，发现荧光强度受碱性环境（pH>7）影响显著，可能与表面-NH?基团质子化导致电荷屏蔽有关。但中性条件下仍保持稳定，说明碳点表面具有宽pH耐受范围。

在L-天冬氨酸传感方面，该材料展现出高度选择性。实验发现，在含Ala、Arg、Gly等15种氨基酸的混合体系中，仅L-天冬氨酸能引发荧光淬灭（最高淬灭率49.39%）。机理研究揭示双机制作用：静态淬灭源于静电相互作用（表面正电荷与天冬氨酸负电荷的静电吸引），动态淬灭涉及光诱导电子转移（PET）过程。当检测限达2 nM时，线性响应范围扩展至0.1-50 μM（相关系数R2=0.99），满足生物检测需求。特别值得注意的是，在0.001-0.01 μM浓度区间，荧光强度与浓度呈线性关系（斜率2.51），这为痕量检测提供了理论依据。

该研究在碳点合成领域取得重要进展：首先采用非分子碳前驱体与氨基酸的协同水热反应，突破了传统有机前驱体合成模式；其次通过精准调控掺杂比例，实现了氮硫原子的高效共掺杂（S含量达4.34 at%）；更关键的是建立了"表面电荷-荧光强度"调控机制，为开发新一代生物传感器奠定了基础。与文献中其他N,S-CDs制备方法相比，本方案在保持高荧光量子产率的同时，显著降低了合成成本（无需贵金属催化剂）。

在应用层面，该荧光探针可望用于糖尿病早期诊断（监测血清天冬氨酸水平）、神经退行性疾病筛查（ Lou Gehrig氏病关联指标）及药物研发（氨基酸代谢研究）。特别在体内检测方面，碳点的小尺寸（<100 nm）和高电荷密度特性，使其能够有效穿透生物膜并稳定于复杂生物液环境中。未来研究可拓展至多氨基酸同时检测、便携式检测设备开发等领域，推动精准医疗和即时检测技术的进步。

实验通过多维度表征揭示了材料性能的内在机制：FTIR证实表面含-OH、-NH?、-SO?H等官能团，其中磺酸基团（-SO?H）的存在增强了表面亲水性和电荷稳定性；XPS深度解析显示硫元素以C-S-C和C-SO??形式存在，氮元素则分布在C-N和吡啶/吡咯型N位；动态光散射（DLS）显示粒径分布标准差仅0.23 nm，材料均一性优异。这些结构特征共同决定了其独特的光学性质和传感性能。

在传感机制方面，静态淬灭占主导地位（贡献约75%信号衰减），源于碳点表面正电荷与天冬氨酸负离子的静电吸引作用，形成非荧光性的复合物。动态淬灭则通过光诱导电子转移实现，当激发波长为320 nm时，碳点激发态电子向天冬氨酸的富电子轨道转移，导致荧光寿命从2.63 ns缩短至1.85 ns。值得注意的是，在低浓度区（<1 μM），淬灭效应呈现非线性特征，这可能与碳点表面不同掺杂位点的可及性差异有关，而高浓度区（>1 μM）的线性响应则符合准静态淬灭动力学模型。

该研究对碳点工程具有重要启示：通过引入非分子碳前驱体，既保持了碳点的本征优势（高碳含量、低毒性），又实现了与氨基酸分子的精准化学修饰。未来可探索其他氨基酸的检测（如谷氨酸、精氨酸），或构建多探针体系以实现复杂生物样本的联合检测。此外，碳点表面电荷与pH的响应关系为开发pH/氨基酸双参数检测提供了新思路。