《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Bright yellow fluorescent carbon dots as smart sensor platform for fluorescence and electrical sensing of pernicious acetone
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荧光碳点通过溶热法制备，具有高量子产率（37.1%）和优异的丙酮检测性能（检测限0.01 vol%），通过偶极-偶极相互作用和聚集效应实现荧光增强与光谱位移，应用于指纹检测、隐形墨水印刷和气体传感器。
Indhumathi Ashokan|Kabir Hussain Badagoppam Haroon|Santanu Bera|Susanta Kumar Bhunia
印度韦洛尔技术学院（Vellore Institute of Technology）高级科学学院化学系，韦洛尔 632014
摘要
在水介质中检测丙酮对于环境和生物学应用都至关重要。血液和尿液中丙酮浓度的升高是代谢紊乱（尤其是在糖尿病中）的关键生物标志物。为了解决这一需求，研究人员合成了亮黄色荧光碳点（C-点），以便在多种相中有效且精确地检测丙酮。这些由邻苯二胺（o-Phenylenediamine）和β-环糊精（β-cyclodextrin）制备的C-点具有37.1%的量子产率。在420纳米的激发光下，它们表现出约150纳米的显著斯托克斯位移（Stokes shift）。在水介质中，C-点能够有效且可靠地检测丙酮，同时不受其他挥发性有机化合物的干扰，检测限低至约0.01体积百分比。暴露于丙酮后，其荧光强度增加了三倍，并且光谱从黄色转变为绿色。机制研究表明，这种变化是由于偶极-偶极相互作用以及C-点的聚集所致。基于这些光学特性，C-点被广泛应用于指纹检测和隐形墨水印刷领域。本研究还开发了利用装饰有C-点（Si@C-点）的硅胶制成的气体传感器，该传感器的荧光性能得到了增强。此外，通过将C-点接枝到聚合物片材上并用作电极，也实现了丙酮的检测，这种方法可用于测量电阻率，从而实现早期健康预警。
引言
为各种应用开发经济实惠的解决方案是环境污染管理中的一个重要挑战[1]。在经济增长的过程中，实现无疾病的社会是一个关键且艰巨的目标[2]。挥发性有机化合物（VOCs）是一类容易挥发并在吸入时引发严重健康问题的化学物质[3]。丙酮属于VOCs，广泛存在于油漆、塑料、清漆、指甲油去除剂等产品中。甚至植物和树木也会释放微量丙酮[4]。许多人为活动会向环境中排放大量丙酮，导致严重的污染。由于其高挥发性，丙酮具有极高的毒性并对生物体产生不利影响。由于丙酮在水中的高溶解度及其毒性，检测水中的丙酮成为一个研究热点[5]。水中过量的丙酮会导致人体出现皮肤干燥、眼睛刺激和皮炎等症状[4]，还可能损害大脑和肝脏。由于丙酮在血液和尿液中的微量存在，这也使其成为糖尿病诊断的指标[6]。因此，检测水介质中的丙酮对于筛查疾病和环境毒素至关重要[8]。目前有多种检测方法，如气相色谱法、激光光谱法、质谱法和离子迁移谱法[9][10]。尽管这些方法可以检测非常低的浓度，但它们受到操作程序复杂、分析时间长、成本高、易出错、需要熟练操作人员以及使用频率有限等限制[11][12]。相比之下，荧光法成本低廉、检测速度快、灵敏度高，且肉眼可见，因此在环境和生物成像应用中得到广泛应用[8]。曾使用配位聚合物和金属有机框架（MOFs）等荧光团来检测丙酮。尽管荧光团具有可重复使用的优点，但其复杂的合成过程限制了应用范围，且结合位点的增多会增加检测时间[12][13]。过去几十年中，碳点（C-点）一直被用作荧光探针。与MOFs和有机染料相比，C-点具有低毒性、高量子产率、高光稳定性、生物相容性、制备方法简单、表面修饰容易以及生产成本低等优点[13][14][15][16][17]。C-点是尺寸较小的纳米粒子（<10纳米），能够选择性地和高灵敏度地检测分析物[18]。C-点的发光特性使其成为多功能传感器，在医学（药物输送、生物成像、金属离子检测和疾病诊断等领域具有广泛的应用潜力[11]。此外，电阻率和光学性质的变化也使其在电化学传感中得到应用[19]。C-点的这些独特特性使其能够在液相和固相中检测丙酮[5]。溶热法制备的C-点在sp2石墨碳核周围形成了更多的官能团，由于缺陷位点和氧空位的增加，其荧光性能得到提升[20]。当分析物靠近C-点（尤其是其官能团附近）时，C-点的非辐射衰减会发生，从而促进分析物与C-点之间的相互作用，导致荧光被抑制或发生位移[21]。目前关于利用C-点在水介质中检测丙酮的研究较少，且使用的波长较短[8][22]。因此，开发用于水介质中检测丙酮的较长波长的C-点具有重要意义。较长波长的C-点在生物应用中也更受欢迎，因为它们能深入组织并减少自荧光[23]。
为了实现这一目标，我们采用简单的碳化工艺制备了具有较长波长的C-点，以实现快速准确的固相和液相丙酮检测。这些C-点由邻苯二胺和β-环糊精合成，量子产率为37.1%。通过光谱和显微镜分析对其表面官能团进行了表征。这些超发光C-点被作为一种创新的VOC检测平台。在测试的多种VOC中，丙酮表现出优异的选择性，检测限（LOD）为0.01体积百分比。这一重要发现凸显了C-点作为高灵敏度和选择性VOC传感器的潜力，为环境监测和工业安全提供了多种应用可能性。此外，合成的C-点还被用作双重功能材料，例如打印机墨水和指纹检测剂。通过将C-点修饰到硅胶上，使其适用于固态传感器应用。其传感机制通过FT-IR和UV–vis吸收光谱技术得到了验证。
化学品
邻苯二胺（o-Phenylenediamine）和甲苯（toluene）购自SD Fine Chem Ltd。二甲基甲酰胺（DMF）购自Spectrochem Pvt. Ltd。丙酮（acetone）、二甲乙酰胺（DMAC）、丙酮苯（acetophenone）和甲醛（HCHO）购自Avra Synthesis Pvt. Ltd。β-环糊精（β-CD）购自Sisco Research Laboratories Pvt. Ltd。甲醇（MeOH）购自Nice Chemicals Pvt. Ltd。己烷（hexane）和氯化钠（NaCl）购自Finar Chemical Ltd。乙醇（EtOH）购自...
C-点的合成与表征
采用溶热法制备C-点，先在150℃下使前体发生核化，生成碳基核心。C-点的荧光性能是通过在其表面逐步聚合官能团实现的。根据碳核上的官能团，评估了C-点的光学性质。暴露于紫外光后，激发的C-点会发出明亮的黄色荧光。
结论
总之，成功开发并应用了荧光C-点来检测丙酮这种常见且高度危险的化学物质。通过溶热法使用邻苯二胺和β-环糊精合成的C-点表现出37.1%的量子产率，具有明亮的黄色荧光。利用FT-IR和XPS技术对C-点表面的官能团进行了表征。这些荧光探针对丙酮具有高选择性。此外...
CRediT作者贡献声明
Indhumathi Ashokan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、数据分析、概念构思。
Kabir Hussain Badagoppam Haroon：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、数据分析。
Santanu Bera：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、数据分析。
Susanta Kumar Bhunia：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、项目管理。
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
Indhumathi Ashokan、Kabir Hussain Badagoppam Haroon和Santanu Bera衷心感谢韦洛尔技术学院（VIT）提供的奖学金和研究资助。本工作得到了韦洛尔技术学院（VIT）的Faculty Seed Grant（RGEMS）（批准编号：SG20240047）和DST INSPIRE资助（DST/INSPIRE Faculty Award/2018/DST/INSPIRE/04/2018/002484）的支持。
