反相关双通道比率荧光和比色法测定甲醛：基于碳点与孔雀绿-亚硫酸盐动力学体系的偶联

《Diamond and Related Materials》：Anti-correlated dual-channel ratiometric fluorescence and colorimetric determination of formaldehyde using carbon dots coupled with the malachite green–sulfite kinetic system

　　

• •
  双发射碳点实现比率型和比色型检测。
• •
  反相关荧光响应放大F₄₂₀/F₆₁₀比率型信号。
• •
  协同的甲醛反应性实现双信号放大。
• •
  智能手机比色分析实现便携式现场检测。
• •
  食品安全和环境监测的通用设计原则

引言

甲醛（HCHO，methanal）是最简单且在工业上最重要的脂肪族醛，全球年产量超过5000万吨[1]。它被广泛用作苯酚-甲醛树脂和脲醛树脂、粘合剂、涂料、纺织品和复合木制品制造中的前体和交联剂[2]，[3]。除了工业上的广泛存在外，甲醛还渗透到多种环境和生物基质中。在室内空气中，它从建筑材料、家具、地毯和消费品中持续释放，经常达到超过世界卫生组织（WHO）0.1 mg m^?3（30分钟平均暴露）指导限值的浓度。在水生环境中，来自树脂、造纸和石化制造业的工业废水将甲醛排放到地表水和地下水系统中，其浓度可能超过国家监管机构设定的允许限值（工业废水排放通常为0.9–2.6 mg/L）[4]。尤其令人担忧的是，甲醛被非法和欺诈性地用作食品中的防腐剂——包括鱼类、海鲜、豆腐、面条和蘑菇——以延长保质期并改善易腐商品的外观，对消费者健康构成直接威胁。国际癌症研究机构（IARC）已将甲醛列为1类人类致癌物，慢性暴露与鼻咽癌、白血病和鼻窦癌相关。急性暴露，即使低于ppm水平，也会引起眼睛、粘膜和上呼吸道的严重刺激，而长期低水平暴露与过敏致敏、哮喘加重和神经毒性有关[5]，[6]。食品中的甲醛含量受特定商品管控；其作为牛奶防腐剂的有意使用被禁止，而根据FSSAI法规，虾/对虾中允许天然存在的甲醛浓度高达8 mg/kg[7]。鉴于其致癌性、广泛的环境存在以及在食品和消费品中的隐蔽存在，开发快速、灵敏且可靠的分析方法以测定不同样品基质中的甲醛，对公共卫生、环境监测和食品安全执法至关重要。

甲醛定量的常规方法包括：使用2,4-二硝基苯肼（DNPH）衍生化的高效液相色谱法（HPLC）[8]、气相色谱-质谱联用法（GC–MS）[9]，[10]、基于乙酰丙酮的Hantzsch反应的分光光度法[11]、变色酸法[12]，以及使用甲醛脱氢酶的酶促生物测定法[13]。尽管这些技术提供了令人满意的灵敏度和选择性，但它们总是受到以下一个或多个限制的制约：需要昂贵且笨重的仪器、衍生化和分析时间过长、消耗有害有机溶剂、需要熟练的技术人员，以及不适合现场或即时分析。电化学传感器虽然具有更好的便携性，但经常遭受电极污染、有限的使用寿命以及复杂基质中结构类似羰基化合物的干扰[14]。近年来，基于荧光的方法因其高灵敏度、快速响应、操作简便以及与小型化和便携式检测格式兼容等固有优势而引起了相当大的关注[15]，[16]。然而，大多数报道的甲醛荧光探针是单信号（“开启”或“关闭”）传感器，容易受到探针浓度、激发源强度、光漂白和基质诱导的背景干扰波动的影响，从而产生假阳性或假阴性结果[17]，[18]。这些缺点共同凸显了对下一代分析策略的迫切需求，这些策略在单一检测中整合互补读数，如比率型荧光和比色检测，以实现更稳健、部分自校正且可能适用于现场部署的甲醛测定。

碳点（CDs）已成为用于荧光化学传感的一类卓越的零维碳纳米材料，因其优异的光致发光、跨越可见光谱的可调发射、出色的光稳定性、低细胞毒性、水分散性以及从廉价前体进行简便的一锅合成[19]，[20]。值得注意的是，胺官能化碳点——由富氮前体如邻苯二胺、乙二胺或木质素合成——表面带有丰富的伯胺基团（–NH?），可与甲醛的羰基发生席夫碱缩合反应，从而为HCHO提供直接且选择性的化学识别机制[21]。取决于表面胺的光物理作用，这种席夫碱反应可以猝灭或增强CD荧光：在胺基团作为核心发射的光诱导电子转移（PET）猝灭剂的CD中，其被甲醛消耗会阻断PET途径并恢复荧光，产生“开启”响应[22]，[23]。同时，孔雀石绿（MG）–亚硫酸盐动力学体系构成了一个成熟且优雅的痕量甲醛测定比色原理[24]，[25]。在该体系中，亚硫酸根离子对阳离子MG染料（λ_max = 613 nm）的中心亲电碳进行亲核加成，逐渐使其特征绿色褪色。甲醛通过清除亚硫酸根形成羟甲基磺酸盐来抑制这种漂白，从而减少可用于MG脱色的有效亚硫酸根浓度[24]，[25]。因此，在固定反应时间测量的613 nm处的残余吸光度与甲醛浓度成正比，能够在ng/mL范围内实现简单且灵敏的分光光度定量。尽管其具有公认的优点——包括简单、低成本和良好的灵敏度——MG–亚硫酸盐方法仍然仅是单通道比色技术，其与荧光传感模式集成的潜力尚未被探索。

在本工作中，我们首次提出了一种基于两个甲醛依赖反应的双模式分析平台：B@CDs表面胺的席夫碱形成和MG–亚硫酸盐动力学反应的抑制，与双发射碳点耦合，在单一检测中实现甲醛的比率型荧光测定，并辅以来自同一MG–亚硫酸盐反应的智能手机比色读数。该系统包含两个光谱分辨的碳点群体——富含胺的蓝发射碳点（B@CDs，λ_em ≈ 420 nm）和红发射碳点（R@CDs，λ_em ≈ 610 nm）——在单一波长（λ_ex = 310 nm）下共激发，以及作为共享试剂的孔雀石绿和亚硫酸钠。引入甲醛后，触发两个同时反应：（i）HCHO通过席夫碱缩合与B@CDs的表面–NH?基团反应，阻断PET猝灭过程并在420 nm处引发荧光开启响应；和（ii）HCHO清除亚硫酸根，抑制MG漂白，并通过内滤效应（IFE）保留613 nm处的MG吸收带，该吸收带继续抑制R@CDs在610 nm处的发射。结果是反相关的、双反向比率型荧光响应——为激发强度和仪器波动提供内置校正，这些波动同等地影响两个发射通道，从而提高测量相对于单信号探针的稳健性。同时，未漂白MG保留的绿色提供了第三个独立的比色信号，用于快速智能手机检测。这种集成的“反应调节IFE”概念——其中IFE吸收体由分析物控制的动力学反应动态保留或消耗——代表了一种先前未报道的甲醛传感设计策略。所提出的方法结合了荧光检测的灵敏度、比率型定量固有的误差减小以及视觉比色读数的可及性，在单比色皿、单激发、固定时间测量格式中实现，能够测定食品（虾和牛奶）中的甲醛。

章节片段

材料和试剂

所有化学品和试剂均为分析纯或更高纯度，除非另有说明，否则按原样使用。实验全程使用从Milli-Q水纯化系统获得的电阻率为18.2 MΩ.cm的超纯水。邻苯二胺（oPD）、无水乙醇、草酸孔雀石绿、无水亚硫酸钠、甲醛溶液（37% w/w，无甲醇）、硫酸奎宁二水合物、硫酸、活性炭、乙醛、丙酮、乙二醛、丙烯醛、

碳点的表征

B@CDs的XRD图谱显示在2θ = 23.73°处有一个单一的宽衍射峰（图1A），表明由于插层表面官能团和氮掺杂剂导致层间距扩大的无定形、低石墨化碳结构。对于R@CDs（图1B），主峰移至2θ = 25.56°，反映了更先进的碳化和石墨化。在R@CD图谱中，2θ = 64.95°处的额外弱峰被确定为可能的次级/结晶

结论

总之，开发了一种基于B@CD–甲醛反应和孔雀石绿–亚硫酸盐反应的双模式平台，用于选择性甲醛测定。该传感策略结合了蓝发射通道的甲醛响应增强和红发射通道的内滤效应调节，产生具有部分内部校正的比率型荧光响应。相同的甲醛依赖性孔雀石绿保留使得

CRediT作者贡献声明

Fatma A.M. Abdel-aal：可视化、资源、资金获取、数据管理。Jong Pil Park：可视化、监督、调查、数据管理。Al-Montaser Bellah H. Ali：资源、方法学、调查、数据管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文报告工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢Najran University研究生院和科学研究院长办公室根据国际联盟计划资助号（NU/CPI/MRC/14/4345-1）为本工作提供资助。本研究还得到了Chung-Ang University 2026年研究基金的资助。

Fatma A.M. Abdel-aal|Jong Pil Park|Al-Montaser Bellah H. Ali