一种多功能逻辑门控制的荧光响应氮掺杂碳点：基于STM32微控制器的智能平台，用于L-组氨酸和Al3+的检测

《Journal of Colloid and Interface Science》：A versatile logic-gated fluorescence turn-on nitrogen-doped carbon dots: STM32 microcontroller intelligent platform for assay of L-Histidine and Al3+

氮掺杂碳点（N-CDs）通过壳聚糖与伞形酮共价修饰，构建了双功能荧光传感器，实现L-组氨酸（LOD 0.950 μM）与Al3+（LOD 4.393 μM）的序向检测，并阐明了表面配位与电荷转移机制。其应用涵盖荧光水凝胶、固态LED发光材料及防伪印刷，结合STM32微控制器开发了便携式智能检测系统，为复杂基质中生物与重金属的实时监测提供新策略。

　　

刘永青|安博文|陶竹|蒋瑞勇|叶旺|黄晨|蔡素倩|张碧晓|冷彦莉|潘静珍|梁乐|蔡晓华

贵州民族大学化学工程学院，中国贵阳市550025

摘要

快速、智能地检测生物活性分子和金属离子对健康和环境安全至关重要。本文开发了一种双功能氮掺杂碳点（N-CDs），用于检测L-组氨酸（L-His）和Al³⁺，以壳聚糖（CTS）和伞形酮（UMB）作为底物。N-CDs对L-His表现出明显的“开启”荧光响应，并随后对Al³⁺产生信号恢复，其检测限（LODs）分别为0.950 μM和4.393 μM。通过密度泛函理论（DFT）计算和基于Hirshfeld分配的独立梯度模型（IGMH）分析，严格阐明了其传感机制，突出了表面官能团的关键作用。N-CDs的实际应用包括制备荧光水凝胶、用于发光二极管（LEDs）的固态薄膜以及防伪图案。值得注意的是，开发了一种由STM32微控制器驱动的便携式智能传感平台，能够捕获和分析RGB信号，实现L-His的智能和现场定量分析，为复杂基质中分析物的实时监测提供了一种稳健且经济有效的策略。

引言

L-组氨酸（L-His）是一种含有咪唑基的基本氨基酸，在动物和植物中广泛存在，对人类健康和营养具有重要意义。L-His可以促进大脑发育、改善食欲和睡眠质量，并增强抗癌效果，同时在伤口愈合、神经信号传导和金属离子结合等多种生物过程中发挥关键作用[1],[2],[3],[4],[5],[6]。L-His的变化与健康状况密切相关，其体内摄入量和浓度必须保持在合理范围内[7],[8]。哺乳动物体内L-His的正常范围为50–300 μM，任何异常水平都可能导致肾脏、肝脏和大脑的严重功能障碍[9],[10]。鉴于L-His与其他氨基酸在结构上的相似性，开发一种简单、灵敏且快速的检测方法对于环境和健康监测尤为重要[11],[12]。铝（Al）是地壳中最丰富的金属元素之一，主要以氧化物和无机盐等三价形式存在[13],[14]。铝的应用范围广泛，包括纺织制造、建筑、包装、厨房用具、制药和水处理[15],[16]。因此，人类不可避免地会通过饮用水、药品和食物接触到Al³⁺。然而，铝的过量积累会对人类健康产生显著的不良影响[17],[18],[19],[20],[21],[22]。因此，实时监测环境和生物体内的Al³⁺浓度非常必要。

目前，有多种技术可用于分析物的测定，如毛细管电泳、紫外（UV）光谱法、高效液相色谱（HPLC）和电化学分析等。然而，这些分析技术通常需要复杂的预处理和耗时的操作程序。相比之下，荧光分析技术在近年来得到了快速发展，成为一种实用且经济有效的分析工具，这得益于其固有的优点，如可调的发射强度（即“开启”或“关闭”行为）、低成本、快速响应、高准确性和优异的灵敏度[23],[24],[25]。尽管已经开发了许多荧光探针分别用于检测L-His[11],[12],[26],[27],[28],[29],[30],[31],[32]和Al³⁺[33],[34],[35],[36],[37],[38],[39],[40]，但基于荧光增强和后续恢复模式的双通道探针尚未见报道[41],[42]。

碳点（CDs）是一类新型荧光纳米材料，因其优异的光学特性、低毒性、良好的光稳定性和理想的生物相容性而受到广泛关注[43],[44],[45]。目前，CDs已在荧光传感、指纹识别、生物医学应用、光催化过程和食品安全监测等多个领域展现出广泛的应用潜力[46],[47],[48],[49]。尽管有许多关于L-His[50],[51],[52]和Al³⁺[53],[54]检测的报道，但其合成过程往往复杂繁琐[55],[56],[57]。众所周知，目前还没有能够同时检测L-His和Al³⁺的荧光探针，因此迫切需要开发合成简单、灵敏度和选择性优异的荧光传感器。

近年来，生物质衍生的CDs因其成本效益、优异的安全性和良好的生物相容性而在传感应用中受到越来越多的关注。壳聚糖（CTS）是一种天然丰富的生物聚合物，通过壳聚糖的脱乙酰化获得，其结构中含有丰富的氨基（–NH）和羟基（–OH）团，赋予其优异的生物性能，包括血液相容性和生物降解性。伞形酮（UMB）是一种典型的香豆素衍生物，因其出色的内在荧光性、结构灵活性和广泛的可用性而具有重要意义。CTS的氨基可以与UMB的羟基或羰基基团反应，有效扩展共轭系统并显著增强荧光发射。本文采用CTS和UMB作为前驱体，通过简单的一步水热法制备了廉价的氮掺杂碳点（N-CDs）。制备的N-CDs表现出独特的光学特性，作为高度选择性和灵敏的L-His“开启”荧光探针。此外，Al³⁺的引入通过竞争性配位作用促使L-His从N-CDs表面脱离，从而逆转了光学信号。通过光谱分析、电化学测量和静电势计算，深入阐明了其识别机制。除了检测L-His和Al³⁺之外，还系统研究了N-CDs在功能水凝胶、防伪丝印、固态LED和分子逻辑门中的实际应用多样性。开发了一种由STM32微控制器驱动的便携式智能传感平台，实现了实际样品中L-His的快速和现场定量检测。

材料与仪器

CTS（脱乙酰度≥95%）和UMB（纯度≥98%）由上海宇源生物技术有限公司提供。L-His（纯度99%）和各种氨基酸（L-Pro、L-Tyr、L-Thr、L-Asp、L-Try、L-Glu、L-Ala、L-Val、L-Leu、L-Arg、L-Ser和Gly，纯度≥98%）购自阿拉丁生化技术有限公司。铝和其他金属盐（Na⁺、K⁺、Ag⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Mg²⁺、Co²⁺、Cd²⁺、Mn²⁺、Ni²⁺、Hg²⁺、Fe³⁺和Cr³⁺，分析纯度为99%，购自上海

表征

利用TEM对分散态和聚集态的N-CDs进行了形态表征。如图1b所示，合成的N-CDs呈球形，具有良好的单分散性和均匀的粒径分布，大多数颗粒直径在1.0–5.0 nm范围内，平均值为2.32 nm（见图1b插图）。此外，N-CDs的晶格间距为0.163 nm，接近（102）的晶格参数

在实际样品中检测His和Al³⁺

为了评估N-CDs作为实际样品传感器的可行性，进行了加标-回收实验。从当地超市购买了啤酒（青岛啤酒有限公司）、橙汁（农夫山泉有限公司）和纯牛奶（内蒙古伊利工业集团有限公司）作为L-His的检测代表样品，并收集了花溪湖水、自来水和用当地绿茶冲泡的茶水以测定Al³⁺。

结论

总结来说，通过简单的水热工艺，成功地从廉价材料制备出了生物质衍生的N-CDs。N-CDs实现了L-His和Al³⁺的双功能传感平台，检测限分别为0.950 μM和4.393 μM。与传统单一分析物探针不同，N-CDs引入了“开启”逻辑策略，能够在单一系统中高度灵敏地识别L-His和Al³⁺

CRediT作者贡献声明

刘永青：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草案、验证、软件、方法学、概念化。安博文：研究、概念化。陶竹：方法学、形式分析。蒋瑞勇：验证、研究。叶旺：方法学。黄晨：概念化。蔡素倩：形式分析。张碧晓：监督。冷彦莉：验证。潘静珍：研究。梁乐：概念化。蔡晓华：撰写 – 审稿与编辑、监督

出版同意

所有作者均同意发表。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22104024）和贵州省科技厅自然科学基金（ZK[2021]Yi Ban 201）的支持。