通过涡流流体设备调节人发衍生碳点的荧光性能，以增强对Cr(VI)和Fe(III)的检测

《Sustainable Materials and Technologies》：Tuning the fluorescence performance of human hair-derived carbon dots via vortex fluidic device for enhanced detection of Cr(VI) and Fe(III)

　　• 首次展示利用涡流微流控装置（VFD）驱动对头发衍生碳点（HH-CDs）进行合成后纳米结构调控。• 剪切诱导改性增强了碳点的结构和荧光性能。• 经VFD处理的碳点对六价铬 [Cr(VI)] 和三价铁 [Fe(III)] 表现出增强的检测灵敏度。• 在实际饮用水样品中实现了高效的重金属离子检测。## 引言有毒污染物，尤其是重金属在饮用水中的存在已成为一个重大的公共卫生问题。准确检测和定量分析这些痕量污染物不仅对于灵敏、特异的分析至关重要，也是评估其浓度是否符合既定允许限值、进行有效毒性评估的必要前提[1]。在这些污染物中，六价铬 [Cr(VI)] 和三价铁 [Fe(III)] 尤为引人关注。Cr(VI) 溶解度高、迁移性强，广泛存在于工业和技术活动中，具有显著的致癌性和环境风险[2][3][4]。过量的 Fe(III) 可产生活性氧物种并导致细胞毒性和代谢效应，尽管在生理范围内它仍是一种必需的微量元素[5][6]。这些挑战凸显了迫切需要快速、高灵敏度和高选择性的 Cr(VI) 和 Fe(III) 饮用水检测策略。碳点（CDs）是一类零维碳基纳米材料，因其固有的光致发光特性、良好的水溶性、生物相容性、化学稳定性和低毒性而成为有前景的荧光探针[7]。生物质衍生碳点尤为引人注目，因为它们来源可持续且易于获取，且许多天然存在的杂原子可在原位掺杂，无需外加添加剂[8][9]。值得注意的是，氮掺杂已被广泛报道可增强碳点的荧光强度，使得富含氮的前驱体特别适合制备高荧光碳点[10]。人发是一种可再生材料，主要由角蛋白（约99 wt%）组成，含氮量约为16–17 wt%[11]，是制备具有增强荧光性能的杂原子掺杂碳点的优良富氮前驱体，为传感器开发提供了一个经济高效且环保的平台[12][13]。尽管生物质衍生碳点表现出令人鼓舞的性能，但文献中报道的大多数基于生物质碳点的重金属传感器均采用常规合成方法，如水热法[12][13]、微波辐照[13]或直接热解，这些方法通常缺乏合成后的优化步骤来增强结构和光学性能，以改善基于荧光的传感性能。一些方法需要高温（500–1100 °C）[14]，导致能耗显著，而其他方法虽在较低温度（180–400 °C）下操作，但涉及长达10–24小时的反应时间[2][13][15]。因此，一种无需高热量输入或长时间反应即可增强荧光性能的合成后优化策略将极具吸引力。为克服这些挑战，利用涡流微流控装置（VFD）进行合成后优化提供了一种有前景的、节能的途径，以改善生物质衍生碳点的结构和光学性能。VFD是一个动态薄膜微流控平台，在受控倾角（0–90°）下容纳一个快速旋转的圆柱管（通常高达9000 rpm），沿管内壁生成一层极薄的液膜（≥约0.22 μm）[16][17]。该装置通常使用内径17.5 mm、长度185 mm的石英管或硼硅酸盐玻璃管，但也提供更大的VFD系统，内径46 mm、长度450 mm，且可连续运行，展示了工艺的可扩展性[18]。快速旋转的薄膜产生高剪切应力、增强的传质和传热以及高效的微观混合，使得纳米结构重组和材料性能的精细调节可在一步加工中完成[19]。这使VFD成为一种节能、环保且用户友好的技术，最大限度地减少废物和能耗，相较于传统加工方法具有优势[20][21]。在剪切驱动加工条件下，VFD可实现对碳点表面微图案化和结构调控的精确控制，从而增强其物理化学性能，包括提高荧光强度、稳定性和灵敏度[7][19][21]。VFD中的微米/亚微米高剪切区可产生局部高温（≤630 °C，基于纯锑在VFD中熔化的测定结果）和高压（≤1 GPa，基于C??在VFD中聚合的测定结果）[18][22][23]。尽管VFD此前已应用于各种纳米材料的合成与加工[19][24][25][26]，但据我们所知，这是首次报道将其作为合成后优化策略，以增强荧光灵敏度并改善重金属检测性能。本研究探讨了利用VFD介导的节能合成后优化来增强热解人发衍生碳点（HH-CDs）的荧光性能，以改善Cr(VI)和Fe(III)的检测。在不同热解温度（300、400、500和600 °C）下合成的碳点经过VFD处理，在受限流条件下评估转速和处理时间对其结构、表面和光学性能的影响。重点研究了在400 °C热解下表现最优的碳点。利用VFD动态薄膜中产生的高剪切应力来改善荧光强度和化学传感活性，而无需使用外加改性剂、催化剂或有毒化学品，同时在室温下操作。据我们所知，本研究是首次对多种温度下合成的热解碳点进行VFD介导的合成后优化的系统性调查，通过结合相对较低温度的热解和VFD处理，实现通过低能耗途径增强双金属检测。研究进行了全面的结构和光学表征，以关联缺陷密度、表面官能团和尺寸细化与传感性能。此外，该传感器在实际饮用水样品中表现出可靠性能，回收率在可接受的误差范围内，凸显了其作为低成本、可持续且无催化剂平台用于实际环境监测的潜力。## 章节摘要### 材料与分析仪器人发直接取自梳子，未经处理作为合成碳点的碳源。所有实验均使用来自Milli-Q IQ 7000系统的超纯水。所有化学品均为分析纯（购自Sigma Aldrich），未进行进一步纯化。研究使用了多种金属盐，包括CuCl?·2H?O、CuCl、FeCl?、FeCl?·4H?O、K?Cr?O?、NiCl?·6H?O、MnCl?·4H?O、ZnCl?、Cd(NO?)?·4H?O、AgNO?、Pb(NO?)?、Co(NO?)?·6H?O和Hg(NO?)?，每种纯度均大于——### 热解温度与VFD参数对HH-CDs荧光猝灭的影响在本研究中，通过一步热解法成功从人发中制备了碳点，未使用催化剂或额外的表面钝化，形成了人发衍生碳点（HH-CDs）。本部分描述了热解温度和VFD处理条件如何影响HH-CDs的荧光猝灭行为和相对荧光（RF）。研究的参数包括用于HH-CDs合成的热解温度，以及——### 结论本研究是对VFD介导的材料合成后优化进行的首批系统性调查之一，作为节能和可持续策略，以增强热解HH-CDs的荧光传感性能。通过优化VFD参数，包括转速和停留时间，有效调节了HH-CDs的粒径、缺陷密度和含氧官能团，直接影响其荧光响应和灵敏度，特别是在——### CRediT作者贡献声明**Umaya Akalahandi：** 撰写——原稿、可视化、验证、软件、方法学、调查研究、正式分析、数据整理、概念构思。**Yu Matsueda：** 软件、方法学。**Khamaael M. Fayyadh：** 正式分析。**Catherine M. Miller：** 撰写——审阅与编辑、指导。**Colin L. Raston：** 撰写——审阅与编辑。**Elsa Antunes：** 撰写——审阅与编辑、指导、资源、项目管理、方法学、资金获取、概念构思。### 利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。Umaya Akalahandi | Yu Matsueda | Khamaael M. Fayyadh | Catherine M. Miller | Colin L. Raston | Elsa Antunes