《Next Nanotechnology》：Greenish-blue fluorescent N, S - co-doped carbon dots derived from biomass for Cu2+ sensing
编辑推荐：
以巴豆（Codiaeum variegatum）为绿色碳前驱体、硫脲为氮（N）和硫（S）掺杂剂，通过简便易行的水热法制备了氮硫共掺杂碳点（NS-BCDs）。所制备的NS-BCDs在365 nm紫外光照射下呈现绿蓝色荧光。采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外
以巴豆（Codiaeum variegatum）为绿色碳前驱体、硫脲为氮（N）和硫（S）掺杂剂，通过简便易行的水热法制备了氮硫共掺杂碳点（NS-BCDs）。所制备的NS-BCDs在365 nm紫外光照射下呈现绿蓝色荧光。采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）、Zeta电位、动态光散射（DLS）和X射线光电子能谱（XPS）等多种表征技术确认了其尺寸、元素组成、电荷及各种官能团的存在。所制备的NS-BCDs通过静态猝灭机制用于铜离子（Cu2+）的选择性荧光检测。Cu2+的检出限（LOD）确定为0.82 μM，线性范围为0–60 μM。此外，NS-BCDs被用作纳米探针用于检测自来水和河水等实际水样中的Cu2+。本研究展示了一种利用天然植物衍生前驱体合成NS-BCDs的简便且环境友好的策略，揭示了其优异的光学性质以及在荧光传感和Cu2+灵敏检测方面的广阔应用前景。
碳点（CDs）自2004年被偶然发现以来，因其强烈的荧光、高效的光吸收、可调谐的发射波长和较低的细胞毒性，已被广泛用于构建灵敏且非侵入式的传感平台。杂原子（如氮和硫）掺杂可显著增强碳点的光学性能、光吸收和荧光特性，而未掺杂碳点通常荧光量子产率较低、功能有限，限制了其在传感和检测中的应用。碳点的合成策略主要分为自下而上和自上而下两类，其中水热合成因其简便、环境友好和成本效益而最受青睐。生物质作为一种无毒、可再生的环境资源，在碳点研究领域引起了广泛关注。生物质衍生碳点（BCDs）具有来源丰富、生物相容性好、水溶性优异、独特的荧光性质和经济性等优势。然而，重金属离子特别是Cu2+的排放对环境和健康构成严重威胁。Cu2+是人体和植物必需的微量营养素，作为金属酶、人体神经系统和蛋白质功能的基本辅因子发挥作用，但高浓度Cu2+则成为有毒重金属和污染物，可导致脑部疾病、胃部不适和威尔逊病等严重健康问题。世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（USEPA）规定饮用水中Cu2+含量的限值分别约为20 μM和30 μM。因此，水中Cu2+的检测对保障人类健康和环境安全具有重要意义。传统的Cu2+检测方法如拉曼散射、原子吸收光谱法和耦合等离子体质谱法等存在成本高、样品制备复杂和水溶性低等问题。相比之下，荧光传感因其操作简便、灵敏度高、成本低、样品制备少和数据分析简便而成为检测金属离子的合适方法。基于此，研究人员以巴豆叶片为碳前驱体、硫脲为氮硫掺杂剂，通过简便的水热法合成了生物质衍生的NS-BCDs，并对其进行了系统表征和Cu2+传感性能研究。研究人员通过XRD、FTIR、HR-TEM、Zeta电位、DLS和XPS等分析技术对NS-BCDs进行了表征，结果表明NS-BCDs呈球形，平均直径为6.44 ± 1.43 nm，具有石墨型碳框架结构和丰富的表面官能团，包括氨基、羰基、O-以及含硫官能团，表面带负电荷（?14.1 mV），具有良好的水分散性。NS-BCDs在365 nm激发波长下发射波长为457 nm的绿蓝色荧光。在选择性实验中，研究人员将Sr2+、Cu2+、K+、Cd2+、Mn2+、Ba2+、Ca2+、Zn2+、Zr4+和Mg2+等金属离子分别加入NS-BCDs溶液中进行荧光响应监测，发现仅Cu2+引起显著的荧光猝灭，表明NS-BCDs对Cu2+具有高选择性和灵敏度。在Cu2+检测实验中，随着Cu2+浓度增加，NS-BCDs的荧光发射强度系统性下降，Fo/F与Cu2+浓度在0–60 μM范围内呈线性关系，检出限（LOD）计算为0.82 μM，低于WHO和USEPA规定的饮用水中铜的可接受摄入限值。与其他已报道的碳点基传感器相比，本研究的NS-BCDs展现出最低的检出限，这归因于氮硫共掺杂的协同效应。在传感机制研究方面，研究人员通过荧光寿命衰减曲线、紫外-可见吸收光谱、Stern-Volmer方程和Zeta电位分析探讨了荧光猝灭机制。NS-BCDs的荧光寿命在加入Cu2+前后变化很小（从3.595 ns降至3.437 ns），排除了动态猝灭机制；NS-BCDs发射光谱与Cu2+吸收光谱之间无明显光谱重叠，表明FRET和内滤效应（IFE）可忽略；Stern-Volmer plot呈线性关系，KSV为4.78 × 10^3 M?1，双分子猝灭常数Kq计算为1.84 × 10^12 M?1s?1，超过动态猝灭的上限值（2.00 × 10^10 M?1s?1），支持静态猝灭机制；Zeta电位从?14.1 mV变为?10.1 mV，归因于Cu2+与NS-BCDs表面富电子N/O官能团的静电相互作用。综合以上分析，NS-BCDs对Cu2+的荧光猝灭归因于静电相互作用介导的基态络合，以静态猝灭为主。在实际样品回收实验中，研究人员在自来水和河水中进行了加标回收实验，自来水回收率为99.11%–101.50%（RSD 0.68%–1.68%），河水回收率为99.55%–100.25%（RSD 0.60%–1.65%），表明NS-BCDs传感器在实际水样中检测Cu2+具有可靠的准确性和实用性。在讨论部分，研究人员将本工作与其他已报道的Cu2+检测方法进行了比较，NS-BCDs荧光传感器在回收率和RSD方面表现出与电化学方法、原子吸收光谱法和ICP-OES等技术相当或更优的性能。研究结论部分指出，本研究通过简便的水热法利用巴豆叶片和硫脲成功制备了环境友好的NS-BCDs，综合表征确认了其表面官能团、元素组成（C、N、O、S、Na、K）、尺寸分布和带负电荷的稳定表面。所制备的纳米探针对Cu2+离子表现出显著的选择性和灵敏度，具有清晰的荧光猝灭响应，检出限低至0.82 μM，线性检测范围为0–60 μM。NS-BCDs的荧光寿命在暴露于Cu2+后仅从3.595 ns略微降至3.437 ns，表明荧光抑制源于静电相互作用和以静态猝灭为主的猝灭现象。此外，在自来水和河水样品中成功的回收实验证实了所开发的NS-BCDs在实际环境系统中的回收率、准确性和实际应用能力。因此，本研究为Cu2+监测提供了一种高效的荧光传感平台，并凸显了生物质衍生碳点在环境和分析应用中的潜力。
