基于氮硫掺杂碳点的智能手机可视化传感平台：三价铝镓铟离子检测与活体追踪

研究人员针对环境中过量残留的Al3+/Ga3+/In3+对生态与健康的威胁，开发了以壳聚糖(CTS)和茜素红S(ARS)为前体的氮硫掺杂碳点(N, S-CDs)。该探针通过荧光变色实现三价离子特异性识别（检测限0.213–0.599?μM），结合智能手机平台构建便携检测系统，并成功应用于活体成像追踪，为环境监测与生物医学研究提供新工具。

　　

在环境与健康领域，铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)等三价金属离子既是工业应用的重要元素，又是潜在的健康威胁。Al³⁺过量摄入与阿尔茨海默病等神经系统疾病密切相关，Ga³⁺虽具抗癌潜力但长期暴露会导致血液疾病，而In³⁺更被证实具有胚胎毒性。这些离子在环境中的残留检测和生物体内的动态追踪，成为当前研究的难点——传统检测方法如电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)设备昂贵，而现有荧光探针多仅针对单一离子，难以区分化学性质相似的Al³⁺/Ga³⁺/In³⁺。

针对这一挑战，贵州科技部门资助的研究团队在《Microchemical Journal》发表成果。他们采用水热法将生物质材料壳聚糖(CTS)与茜素红S(ARS)合成氮硫双掺杂碳点(N, S-CDs)，通过循环伏安法(CV)和光谱分析阐明检测机制，建立智能手机可视化检测平台，并首次实现三种离子在草履虫、青鳉鱼胚胎等模型中的活体追踪。

关键技术方法
研究采用一步水热法合成N, S-CDs，通过透射电镜(TEM)确认其2.75 nm平均粒径和0.153 nm石墨晶格间距；利用X射线光电子能谱(XPS)解析表面官能团；结合荧光光谱和紫外可见吸收光谱(UV-Vis)研究离子识别特性；基于安卓系统开发RGB色彩分析程序构建智能手机传感平台；选用青鳉鱼(批准号2500249)进行活体成像实验。

研究结果
表征
TEM显示N, S-CDs呈单分散球形，傅里叶变换红外光谱(FT-IR)证实表面含羧基、羟基等活性基团。XPS揭示N、S的成功掺杂，其中吡啶氮占比达35.6%，为金属离子配位提供位点。

生物应用
在10 μg/mL浓度下，N, S-CDs可安全用于青鳉鱼胚胎发育全程监测。加入Al³⁺后胚胎出现明显蓝色荧光增强，而Ga³⁺处理组在鳃部呈现特异性绿色信号，证实其组织分布差异。

检测机制
CV曲线显示金属离子加入后氧化峰电流降低，结合荧光猝灭现象，表明通过-NH₂/-OH与金属配位形成非荧光复合物。密度泛函理论(DFT)计算揭示Al³⁺优先与吡啶氮结合，而In³⁺更易与硫醇基相互作用。

结论与意义
该研究创制出首个能同步区分Al³⁺/Ga³⁺/In³⁺的多功能CDs探针，其检测限低于WHO饮用水标准限值。智能手机平台使现场检测成本降低90%，而活体成像结果首次揭示Ga³⁺在鱼鳃的特异性积累现象，为重金属毒性研究提供新视角。Yongqing Liu等提出的"配位基团差异化"设计策略，为开发其他同族元素传感探针开辟了新途径。