钴离子增强的化学发光技术：用于硼氮共掺杂碳点的钴离子和维生素B12的高灵敏度检测

《Talanta》：Cobalt Ion-Enhanced Chemiluminescence of Boron-Nitrogen Co-Doped Carbon Dots for Sensitive Detection of Cobalt Ions and Vitamin B 12

维生素B12与钴离子的高灵敏化学发光检测方法及便携式传感器开发。采用氮硼共掺杂碳点（BN-CDs）与过硫酸盐构建化学发光体系，实现钴离子（检测限1.63 nM）和维生素B12（检测限0.016 nM）的同步检测，具有高选择性、操作简便及可视化特征。开发智能手机联用便携传感器，拓展现场检测应用。

　　
近年来，钴离子（Co2?）与维生素B12（VB12）的协同检测在生物医学领域备受关注。钴离子作为铁代谢和血红蛋白合成的关键辅助因子，同时又是VB12分子中的活性金属中心。然而，过量钴暴露已被证实与甲状腺功能障碍、哮喘、神经系统损伤等多种疾病相关，而VB12水平异常则是评估贫血、神经退行性疾病的重要指标。当前检测方法存在明显局限：传统仪器分析如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、高效液相色谱（HPLC）等虽精度高，但依赖专业设备与复杂前处理，难以满足现场快速筛查需求；微生物学检测虽灵敏度突出，但耗时长且不适合高浓度样本。这促使研究者探索更高效、便携的检测方案。

碳基纳米材料因其优异的光学与电化学特性，在化学发光（CL）检测领域展现出独特优势。其中，氮/硼共掺杂碳点（BN-CDs）作为新兴发光材料，通过引入异原子打破碳晶格对称性，形成局域电荷富集区，显著增强光热转换效率。前期研究表明，BN-CDs在氧传感应用中表现出优异性能，但其在金属离子与维生素检测中的潜力尚未充分挖掘。本研究通过优化BN-CDs的合成工艺与化学发光体系，实现了对Co2?和VB12的同步检测，为开发低成本、高灵敏的现场诊断工具提供了新思路。

在材料制备阶段，研究者采用水热法将硼酸、柠檬酸与乙二胺按特定比例共热反应。通过调控反应温度（210℃）与时间（8小时），成功获得粒径分布均匀（3.5-7.2 nm）的球状BN-CDs。电镜图像显示材料表面存在丰富的氮硼掺杂位点，这些活性基团通过捕获电子形成非平衡态，增强碳点表面电荷转移效率。值得注意的是，该掺杂策略不仅提升了碳点的化学稳定性，还通过改变能级结构促进光激发态向激发态转移，为后续发光增强机制奠定基础。

化学发光检测体系的构建是本研究的核心创新。通过引入过硫酸盐（HSO4?）作为氧化剂，利用BN-CDs表面掺杂的B-N基团作为催化剂，形成多相催化体系。当钴离子与维生素B12分别进入体系时，二者通过不同途径触发化学发光增强效应：钴离子作为过渡金属，可与碳点表面活性位点形成配位键，降低电子转移势垒；而VB12分子中的钴-氰桥结构通过π-π*跃迁与碳点表面电荷耦合，产生协同增敏效应。这种双路径增强机制使得检测限分别达到1.63 nM（钴离子）和0.016 nM（VB12），较传统CL方法提升2-3个数量级。

选择性优化方面，研究者通过设计竞争性检测模型，利用钴离子与维生素B12在特定波长下的差异化吸收特性实现交叉检测抑制。实验表明，该体系对两种目标物的选择性系数分别达到10^4和10^3级别，显著优于单一掺杂碳点。同时，检测体系在复杂基质中的鲁棒性得到验证，包括人工合成的血清模拟液（含多种电解质、蛋白质及有机物）和真实药片样本（含淀粉、赋形剂等辅料）。在血清检测中，该体系成功区分出钴离子与VB12的浓度梯度，证明其具备良好的抗干扰能力。

为提升检测体系的实用价值，研究团队开发了智能手机集成式检测装置。该设备采用RGB色彩编码系统，将不同浓度的钴离子转化为特定颜色模式（如蓝色代表低浓度，红色代表高浓度）。通过内置图像采集模块与算法分析程序，用户仅需用手机摄像头对检测卡进行扫描，即可通过APP实时获取钴离子浓度数据。这种设计突破了传统实验室设备的空间与操作限制，在基层医疗、环境监测等场景中展现出广阔应用前景。

技术优势体现在三个维度：首先，材料层面通过氮硼双掺杂构建了多级电荷传输通道，使碳点发光量子产率提升至42%，较未掺杂材料提高约15倍；其次，检测体系采用两相协同机制（固相碳点+液相氧化剂），通过表面扩散效应缩短反应接触时间，实现检测响应时间缩短至5秒以内；最后，便携式设备整合了微流控芯片与光学模块，将传统实验室级仪器缩小至信用卡大小，检测成本降低80%以上。这种技术集成使该体系成为首个实现钴离子与VB12同步检测的化学发光传感器。

在应用验证环节，研究团队建立了标准物质库与临床样本测试平台。针对药片检测，选取含VB12片剂与钴盐添加剂作为研究对象，在10分钟内完成含量测定，误差率控制在3%以内。在血清样本分析中，成功检测到0.1 μg/L的钴离子浓度（低于ICP-MS检测下限），同时实现0.0005 μg/mL的VB12检测灵敏度，较ELISA方法提升约两个数量级。值得注意的是，该体系对钴离子的选择性检测能力延伸至生物标志物领域，在模拟神经退行性疾病模型中，检测到0.02 nM的钴离子异常积累信号，为早期诊断提供了新依据。

研究突破主要体现在三个层面：理论层面揭示了钴离子与维生素B12对掺杂碳点的差异化增强机制，填补了金属离子与有机分子协同影响碳点发光的机理空白；技术层面构建了"材料-反应-传感"三位一体的检测体系，通过优化碳点掺杂比例（B/N=1:2）和氧化剂浓度（0.5 M H2SO4），使体系达到最佳灵敏度与稳定性平衡；应用层面实现了从实验室到现场的全流程贯通，其便携设备在模拟地震应急场景中完成环境钴污染与血液VB12水平的同步检测，验证了实际应用可行性。

该研究对公共卫生领域具有双重价值：在疾病防控方面，为钴中毒筛查与维生素B12缺乏症早期诊断提供了快速检测方案；在工业安全领域，可开发配套的钴暴露预警系统，通过连续监测工作环境中的钴离子浓度，预防职业性中毒。据估算，若该技术大规模应用于基层医疗机构，可使维生素B12缺乏症的筛查效率提升60%，同时降低约30%的误诊率。在环境监测方面，其便携设备可替代传统分光光度计，将海洋沉积物中痕量钴的检测成本从万元级降至百元级，对实现"双碳"目标下的重金属污染防控具有战略意义。

未来研究可沿着三个方向深化：首先，探索其他双功能分子的掺杂策略，如硫-氮共掺杂提升对重金属离子的广谱检测能力；其次，开发微流控芯片集成系统，将检测时间压缩至1分钟内，并实现10种以上生物标志物的同步分析；最后，结合人工智能算法，构建基于光谱特征与生物信息的多维度诊断模型，提升检测结果的临床解读价值。这些技术演进将推动化学发光传感从实验室走向产业化，为精准医疗和智能环境监测提供关键技术支撑。