基于铝掺杂碳点的智能手机集成比率荧光传感器，用于特异性检测氯四环素

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Smartphone-integrated ratiometric fluorescent sensor based on Al-doped carbon dots for specific detection of chlortetracycline

本研究开发了一种基于Al-CDs的智能手机集成比率荧光传感器，用于快速检测氯四环素（CTC）。通过水热法合成Al-CDs，利用内滤波效应淬灭400nm荧光，同时与Al3+配位增强500nm荧光。检测限低至0.17μM，特异性强，在真实水样中回收率高达98.5-110.6%，适用于现场环境监测。

　　

雷婷婷|徐雅婷|谭思怡|肖家富|赵少静|兰敏环

中南大学化学与化学工程学院，中国长沙410083

摘要

氯四环素（CTC）在农业和水产养殖中的广泛使用引发了人们对环境污染和人类健康风险的严重担忧。因此，迫切需要开发出快速、灵敏且具有选择性的CTC检测技术。在这项研究中，我们开发了一种集成在智能手机上的比率荧光传感器，该传感器使用了掺铝的碳点（Al-CDs），这些碳点是通过一种简单的一锅法水热合成技术制备的。CTC通过内部过滤效应在400 nm处淬灭Al-CDs的荧光。同时，在500 nm处出现了明显的荧光信号，这是由于CTC与Al-CDs表面的Al³⁺形成螯合物后其内在荧光增强的结果。这种比率荧光光谱响应使得在紫外光照射下颜色从蓝色变为绿色。所构建的传感器具有0.17 μM的显著检测限，并且对CTC具有极高的选择性，能够区分其他抗生素、金属离子和氨基酸。在实际水样中的成功应用显示出了令人满意的回收率（98.5–110.6%），这突显了这种集成在智能手机上的平台在现场定量检测CTC方面的潜力。

引言

作为一种广谱抗生素，氯四环素（CTC）在农业和水产养殖中广泛用于疾病控制、动物治疗和生长促进[1,2]。然而，残留的CTC通过粪便和尿液排出，导致地表水系统受到污染[3]。此外，这些残留物通过食用动物产品进入人类食物链，从而对公共健康构成重大威胁[4,5]。研究表明，CTC暴露可能导致遗传效应，包括后代免疫功能受损，引发生态和公共卫生问题[6]。因此，建立一种方便、快速且高度灵敏的CTC检测技术对于保障环境安全和食品安全至关重要。

目前的CTC检测方法包括表面增强拉曼散射[7]、高效液相色谱[8]、电化学技术[9]和酶联免疫吸附测定[10]。尽管这些方法具有高灵敏度和准确性，但它们在实际应用中往往受到复杂仪器、熟练操作人员和样品制备要求的限制，从而影响了其现场分析的可行性。相比之下，荧光探针因其简单性、极高的灵敏度、快速响应时间和与微型设备的兼容性而成为强大的检测工具[[11], [12], [13]]。碳点（CDs）——零维碳纳米材料——具有独特的优点，如易于合成、低毒性、可调的光学性质和成本效益[14,15]。这些特性使得CDs特别适合作为荧光探针，包括用于CTC监测[16]。

例如，Ma等人利用废弃鸡羽毛制备了荧光探针。当加入CTC时，这些CDs的荧光减弱是由于双重机制作用：一种是由于复杂结构形成的静态淬灭（SQE），另一种是由于CDs激发光与CTC吸收光谱重叠而产生的内部过滤效应（IFE）[17]。Lang等人利用开花李子花制备了亲水性CDs，其荧光被CTC有效淬灭，这归因于SQE和IFE的协同作用[18]。尽管这些单信号探针具有实用性，但它们容易受到环境因素的影响，如光漂白和光散射，这可能导致实验结果不准确和假阳性信号[19,20]。

采用双信号输出的比率荧光探针可以通过内置的自校准功能克服这些限制，大大提高可靠性。此外，比率系统固有的颜色变化使得目标物质的视觉检测成为可能[[21], [22], [23], [24]]。Chen等人构建了一种双模式比率传感器，将CDs与CuInS₂/ZnS量子点（QDs）结合使用。在这种设计中，CDs的荧光最初通过F?rster共振能量转移（FRET）机制与QDs相互作用。加入CTC后，这种相互作用被破坏，CDs的荧光重新与QD信号结合，形成了稳定的参考[25]。Liang等人制备了用于CTC检测的双发射CDs。CTC通过FRET在345 nm处淬灭荧光，同时通过与CDs表面官能团的复合在450 nm处增强了荧光并使其颜色向蓝移[26]。然而，仅依靠人眼进行视觉检测在区分细微的颜色变化方面存在局限性。将智能手机集成到荧光分析中为便携式和准确的现场检测开辟了新途径[23,27]。结合智能手机的比色提取能力和比率荧光检测技术，形成了一种稳健的视觉CTC分析方法，为食品和环境监测应用带来了巨大潜力。

在这里，我们开发了一种集成在智能手机上的比率荧光传感器，使用Al-CDs实现对CTC的高灵敏度和特异性检测。图1显示，通过简单的一步水热处理Al(NO₃)₃·9H₂O和柠檬酸制备的Al-CDs具有强烈的蓝色荧光，荧光量子产率为12%。加入CTC后，Al-CDs的荧光通过IFE被淬灭。同时，CTC与CD表面的Al³⁺位点发生配位，产生一个新的发射带，中心波长为500 nm，这是由于CTC本身的螯合作用增强了其荧光。这种双信号响应使得颜色从蓝色清晰地转变为绿色，便于视觉检测。通过将RGB颜色分析平台与智能手机结合，该方法实现了现场的便携式定量CTC分析。该传感器的稳健性能已在实际水样中得到验证，表明其适用于环境和食品安全监测的现场部署。

部分内容摘录

化学试剂

硫酸奎宁、阿莫西林（AMX）、奥尼达唑（ORN）、红霉素（ERY）、磺胺二甲嘧啶（SD）、甲硝唑（MNZ）、卡那霉素（KAN）、链霉素（STR）、氯霉素（CHL）、多西环素（DOX）、青霉素G（PEN）、庆大霉素（GEN）、塞尼达唑（SEC）、四环素（TET）、羧苄青霉素（CAR）、丁硝唑（TIN）、土霉素（OTC）和氯四环素（CTC）由Titan有限公司提供。丙氨酸（Ala）、异亮氨酸（Ile）、谷氨酸（Glu）、甘氨酸（Gly）、苏氨酸（Thr）、组氨酸（His）等试剂也由该公司提供。

表征

合成的Al-CDs的结构和形态通过TEM进行了初步表征。如图1a所示，Al-CDs形成球形纳米颗粒，并具有良好的分散性。颗粒大小的统计分析（图1b）显示其分布范围为2.0至7.0 nm，平均尺寸为4.5 nm。图1a插图中的HRTEM图像显示出清晰的晶格条纹，间距为0.21 nm，与石墨的（1 0 0）衍射面相匹配[29]

结论

总之，我们开发了一种集成在智能手机上的基于Al-CDs的比率荧光传感器，能够实现灵敏、选择性和现场的CTC监测。该传感器采用简单的一步水热法合成的Al-CDs制成，无需复杂的纳米复合材料组装或多步骤修饰。检测机制基于IFE引起的Al-CDs在400 nm处的荧光淬灭以及500 nm处的配位增强发射

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

感谢国家自然科学基金（编号：62375289、62175262）、湖南省重点研发计划（编号：2023NK2029、2022SK2101）以及湖南省自然科学基金（编号：2023JJ50432）的财政支持。