具有氮掺杂碳量子点和天冬氨酸作为响应系统的双重修饰金纳米粒子：一种基于纸张的荧光传感平台，用于选择性识别半胱氨酸

《Talanta》：Dual-modified gold nanoparticles with nitrogen-doped carbon quantum dots and aspartic acid as response system: A paper-based fluorescence sensing platform for selective cysteine identification

本研究开发了一种基于氮掺杂碳量子点（CNQDs）和金纳米颗粒（AuNPs）的纸基荧光传感平台，用于快速、高灵敏（检测限4 μM）和选择性检测半胱氨酸（Cys）。该探针通过Cys与AuNPs及Asp的特异性相互作用释放CNQDs，恢复荧光信号，并通过便携式荧光检测器和智能手机应用实现6分钟内完成检测，适用于资源有限地区的疾病监测。

　　

张健|张琪|李嘉欣|郑志宏|苗艳青|刘春叶

西安医科大学药学院，中国西安，710021

摘要

本文开发了一种快速、选择性高且灵敏的基于纸的荧光传感方法，用于检测半胱氨酸（Cys）。氮掺杂的碳量子点（CNQDs）与天冬氨酸（Asp）反应，生成探针AuNPs@CNQDs@Asp，从而有效抑制CNQDs的荧光。由于半胱氨酸（Cys）与金纳米粒子（AuNPs）之间的强相互作用，以及半胱氨酸（Cys）与天冬氨酸（Asp）之间的特异性相互作用，使得CNQDs从AuNPs上脱离，荧光得以恢复。使用便携式荧光检测器在6分钟内收集荧光信号图像，并通过智能手机应用程序进行分析。在180至260 μM的半胱氨酸（Cys）浓度范围内，RGB值呈线性增加（R = 0.9990），检测限（LOD）为4 μM。12种物质对半胱氨酸（Cys）的干扰偏差在-3.1%至+1.0%之间。该方法应用于人血浆中半胱氨酸（Cys）的检测，回收率在98.2%至102.3%之间，显示出其出色的可靠性。这项工作强调了该方法在低成本和高效率下检测实际样品中半胱氨酸（Cys）的潜力，为资源有限地区的疾病监测和控制提供了有效工具。

引言

半胱氨酸（Cys）是三种内源性生物硫醇之一，与多种疾病的发展和进展密切相关[[1], [2], [3]]。半胱氨酸（Cys）缺乏可能导致生长缓慢、嗜睡、肝损伤、皮肤病变和虚弱；而半胱氨酸（Cys）水平升高则会导致严重的神经毒性和心血管疾病[3]。半胱氨酸（Cys）已被认为是早期诊断和治疗以及疾病监测中最重要的生物标志物之一。然而，由于同型半胱氨酸（Hcy）、谷胱甘肽（GSH）和半胱氨酸（Cys）结构相似，区分它们始终是一项挑战。需要开发更灵敏、更特异且无创的检测方法，以实现半胱氨酸（Cys）水平的准确监测[[4], [5], [6]]。

作为一种新的即时检测系统，基于微流控技术的纸质分析装置（μPADs）由于结合了传统微流控芯片和纸质基板的优点（低成本、便携性、一次性使用、易于制造和生物相容性[10]），为临床检测提供了有前景的平台[[7], [8], [9]]。由于荧光探针出色的灵敏度，相关研究十分活跃[11,12]。张等人[13]、Mwafulirwa等人[14]和Fan等人[15]系统地回顾了半胱氨酸（Cys）响应荧光探针的发展进展。然而，荧光探针的合成和纯化过程往往较为复杂。与此同时，碳量子点（CQDs）作为一种具有优异水溶性、胶体稳定性、优良光物理性质和良好生物相容性的荧光纳米材料，吸引了大量研究兴趣[16,17]。据我们所知，目前尚未有报道将CQDs应用于μPADs上的半胱氨酸（Cys）检测。

功能化的金基材料[[18], [19], [20]]，尤其是金纳米粒子（AuNPs）[21]，受到了广泛关注。在本研究中，我们开发了一个基于μPADs的平台，结合了CQDs和AuNPs，通过比色法实现半胱氨酸（Cys）的灵敏和现场检测。此外，还设计了一种便携式荧光检测器，以实现半胱氨酸（Cys）的可视化和定量检测。在检测前，首先使用柠檬酸和乙二胺作为前驱体，通过一步水热法合成氮掺杂的碳量子点（CNQDs）。在金纳米粒子（AuNPs）和天冬氨酸（Asp）的存在下，CNQDs的荧光强度显著减弱。然后将合成的探针与半胱氨酸（Cys）混合在μPADs上。由于半胱氨酸（Cys）与金纳米粒子（AuNPs）之间的强相互作用，以及半胱氨酸（Cys）与天冬氨酸（Asp）之间的特异性相互作用，半胱氨酸（Cys）阻止了CNQDs与金纳米粒子（AuNPs）的结合，使CNQDs脱离并恢复荧光发射。最后，通过便携式荧光检测器收集荧光图像，并通过我们实验室开发的智能手机应用程序对半胱氨酸（Cys）含量进行定量分析。整个检测过程在6分钟内完成，具有高灵敏度和特异性。总之，该系统成本低廉、操作简便、分析性能优异，特别适用于资源有限地区的半胱氨酸（Cys）现场检测。

材料与试剂

l-半胱氨酸（Cys，99%）购自北京索莱宝科技有限公司（中国北京）。dl-缬氨酸（Val，98%）、dl-天冬氨酸（Asp，98%）、dl-丝氨酸（Ser，98%）、丙二酸（MA，99.5%）、琥珀酸（SA，99.5%）、l-同型半胱氨酸（Hcy，95%）、谷胱甘肽（GSH，98%）、乙二胺和氯金酸（HAuCl₄· 3H₂O，99.9%）购自上海阿拉丁生物化学科技有限公司（中国上海）。d-苯丙氨酸（Phe）和l-组氨酸（His）购自上海兰吉科技有限公司

半胱氨酸（Cys）检测原理

在本研究中，利用CNQDs和天冬氨酸（Asp）与金纳米粒子（AuNPs）结合，开发了一种用于半胱氨酸（Cys）选择性检测的纳米探针。系统原理基于CNQDs的荧光抑制和恢复现象，如图3所示。CNQDs/Asp与AuNPs的结合形成了非发光的AuNPs@CNQDs@Asp。当AuNPs加入CNQDs溶液中时，由于CNQDs上的氨基团，CNQDs被吸附到AuNPs表面，导致其荧光被有效抑制

结论

本研究成功开发了一种基于纸的半胱氨酸（Cys）检测系统，该方法使用纳米探针，能够以快速、选择性强、成本低且可靠的方式测定人血浆中的半胱氨酸（Cys）含量。首先设计了基于CNQDs的半胱氨酸（Cys）响应探针。利用金纳米粒子（AuNPs）和天冬氨酸（Asp）通过N–Au键和氢键有效抑制CNQDs的荧光，形成AuNPs@CNQDs@Asp探针。半胱氨酸（Cys）的存在触发了荧光的恢复

CRediT作者贡献声明

张健：撰写 – 原始稿撰写、可视化处理、方法学设计、研究实施、资金筹集、数据管理。张琪：可视化处理、验证、方法学设计、研究实施、数据管理。李嘉欣：验证、方法学设计、研究实施、数据管理。郑志宏：验证、方法学设计、研究实施。苗艳青：验证、数据分析。刘春叶：撰写 – 审稿与编辑、项目统筹、资金筹集、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国陕西省科学技术厅（2025ZY-XCZXZY-34）、中国陕西省西安市科学技术局高校科技人员服务企业项目（2024JH-GXFW-0018、2025JH-GXKJRC-0069）以及中国西安医科大学科研能力提升项目（2024NLTS120、2024NLTS135）的财政支持。