基于双发射碳点的多维比率型传感器阵列用于生物胺

《Microchemical Journal》：Multidimensional ratiometric sensor array based on dual-emissive carbon dots for biogenic amines

　　

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  一步合成的双发光碳点实现了一个3 × 3比率型荧光传感器阵列。
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  八种生物胺被成功区分，检测限低至0.021 μM。
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  机器学习实现了定性鉴别与定量分析。
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  在真实食品基质中验证了良好的实际应用性，回收率令人满意。

引言

生物胺（BAs）是一类含氮有机碱，主要由微生物脱羧氨基酸产生，广泛存在于发酵食品、乳制品、鱼类和饮料中 [1], [2]。在各种生物胺中，组胺、酪胺、腐胺和尸胺被认为是食品腐败的典型指标。低浓度下，生物胺一般对人体无害；然而，通过摄入腐败食品暴露于高水平生物胺可能导致呼吸困难、头痛、高血压和呕吐等不良症状 [3]。因此，生物胺作为食品腐败和污染的重要指标，其含量被广泛用于评估食品质量，这对食品安全保护和减少食品浪费具有重要意义 [4]。过去几十年中，研究人员开发了多种生物胺检测方法，包括高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS/MS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）和电化学方法 [5], [6], [7], [8]。这些方法仍面临一些缺点，包括繁琐的样品前处理步骤、检测速度慢、仪器费用高以及需要熟练操作技术人员，因此无法满足现场快速筛查的需求。

受哺乳动物嗅觉系统的启发，传感器阵列技术突破了传统的"锁钥"特异性识别模式 [9], [10]。它利用多个具有交叉反应特性的传感单元，每个单元对同一分析物产生不同的响应。这些独特的组合式"指纹"信号随后由模式识别算法处理，以实现多个目标的同时鉴别和识别 [11]。目前，传感器阵列作为新开发的一种技术，在环境监测、临床诊断和食品安全领域展现出广阔的应用前景 [12], [13], [14], [15], [16]。

Singh等人 [17] 开发了一种基于偶氮染料-金属复合物的比色传感器阵列，包含33个传感单元，用于鉴别10种生物胺。该阵列依赖于各种金属复合物与胺的差异化相互作用产生独特的颜色变化指纹，通过RGB分析和模式识别完成检测。Yu等人 [18] 通过将两种天然色素——姜黄素和紫草素以不同质量比混合并掺入生物聚合物基质中，制备了七种不同组成的比色传感薄膜。生物胺产生的碱性环境触发了两种色素的结构转变和互补颜色变化，实现了对挥发性胺（如三甲胺）的检测，检测限为15.04 μM。该系统还可通过颜色变化对三文鱼新鲜度进行视觉监测。然而，用于胺检测的比色传感器阵列仍存在明显缺点：通常需要多种比色指示剂，大大增加了阵列设计和制备的复杂性。此外，传统比色阵列通常依赖范德华力等弱相互作用，限制了对结构相似胺的鉴别能力 [19]。

在传感器阵列应用中，更丰富的传感数据通常带来更好的检测性能。然而，数据维度目前受限于可用传感材料的数量和利用效率 [20], [21], [22]。单维传感信号无法准确区分结构相似的分析物，需要更广泛的数据支持。在各种响应信号中，荧光由于其优异的灵敏度、快速响应和低成本而受到广泛关注；特别是发射光谱的多样化变化（如强度猝灭、增强或峰位移）提供了丰富的信息源。因此，构建基于强相互作用的传感单元的荧光传感器阵列以扩展多维输出空间，是实现针对不同胺的多样化光谱响应的一个有前景的方法。目前，关于用于生物胺检测的荧光传感器阵列研究仍相对有限，其全部潜力尚未被充分挖掘。此外，大多数现有的生物胺荧光探针依赖单一传感信号，限制了其更广泛的应用。与传统单荧光探针相比，比率型荧光传感器具有减弱仪器干扰和减少外部背景效应等多个优点，有利于更准确和稳定的定量分析。

碳点（CDs）作为新开发的荧光纳米材料，具有制备简便、光学性质可调、易于表面功能化和良好的生物相容性等特点 [23], [24], [25]，使其成为构建传感器阵列的合适材料 [26], [27], [28]。特别是，双发射碳点在单波长激发下可产生两个独立的荧光信号，是构建比率型荧光传感系统的理想平台 [29]。然而，目前多发射碳点的合成策略仍严重依赖试错法，缺乏系统的设计原则 [30], [31]。

在本研究中，采用微波辅助一步法以L-精氨酸和中性红为前驱体制备了固有双发光荧光碳点（O-CDs）。在微波反应过程中，部分碳化的发生使未碳化的中性红部分保留其原有的共轭结构和光学性质，从而形成两个独立的发射中心。随后引入三种金属离子（Cu²⁺、Fe³⁺和Zn²⁺）作为信号调节剂，构建三个比率型荧光传感单元（O-CDs@Cu²⁺、O-CDs@Fe³⁺、O-CDs@Zn²⁺）。结合三个激发波长下采集的发射光谱，建立了多维比率型荧光传感器阵列。该设计相较于传统单信号探针具有显著创新：O-CDs的固有双发射提供内建自校准功能，而O-CDs@金属离子策略创建了差异化识别位点，产生丰富的交叉反应响应模式。多波长激发的整合进一步扩大了数据维度，使得传统单通道传感器难以区分的结构相似生物胺得以准确鉴别。该阵列对八种生物胺产生了独特的荧光响应指纹。借助模式识别方法，实现了生物胺的定性鉴别和定量检测。该阵列在真实食品样品中的适用性得到了进一步验证，为快速评估食品新鲜度提供了新策略。

各章节摘要

材料与方法

L-精氨酸、中性红、氯化铜（CuCl?）、氯化铁（FeCl?）、氯化锌（ZnCl?）、腐胺（PUT）、尸胺（CAD）、精胺（SPE）、组胺（HIS）、色胺（TRY）、酪胺（TYR）、亚精胺（SPD）和β-苯乙胺（PHE）购自商业供应商，未经进一步纯化直接使用。L-精氨酸购自上海泰坦科技股份有限公司。中性红、CuCl?、FeCl?、ZnCl?、色胺和酪胺购自

O-CDs的表征与光学性质

选择L-精氨酸作为碳源，因其富含氨基和羧基，有利于表面功能化及与金属离子的强配位。引入中性红旨在使其在微波碳化过程中保留共轭结构，作为第二个发射中心。该设计赋予合成所得O-CDs固有双发射特性。透射电镜表征显示所制备的O-CDs具有良好的单分散性，呈准球形

结论

总之，我们成功开发了一种基于固有双发光碳点的多维比率型荧光传感器阵列，用于生物胺的鉴别和定量分析。具有两个独立发射中心的O-CDs通过简便的一步微波法合成，实现了比率型传感的内建自校准。通过整合三种金属离子调节剂和三个激发波长，构建了3 × 3交叉反应传感通道

CRediT作者贡献声明

Yang Yue：撰写 – 初稿，数据整理，概念设计。Liu Qingqing：撰写 – 初稿，数据整理。Li Quan：软件。Wu Meilin：调查。Mo Zhihong：撰写 – 审阅与编辑，指导监督，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何可能影响本文所述工作的已知经济利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（22074009）资助。

Yang Yue | Liu Qingqing | Li Quan | Wu Meilin | Mo Zhihong