基于微流控技术的碳量子点合成以及利用纸质芯片设备检测铁离子

《Microchemical Journal》：Microfluidic synthesis of carbon quantum dots and detection of iron ions using paper-based chip devices

铁离子快速检测方法研究及优化|微流控合成|纸基传感器|氮掺杂碳量子点|智能手机检测

　　

连宇航|欧阳慧萍|陈雪艺|周明勇

中南大学机电工程学院与极端服役性能精密制造国家重点实验室，中国长沙410083

摘要

准确检测铁离子（Fe³⁺）对环境和健康监测至关重要。传统方法主要依赖于大型且复杂的仪器，难以满足快速或现场分析的需求。本研究旨在开发一种结合微流控合成、纸质传感和智能手机检测的新方法。通过仿真和实验验证，研究了一种能够产生涡流的三维微混合器。基于微流控系统中的正交实验，优化了氮掺杂碳量子点（N-CQDs）的合成过程，使其荧光量子产率提高了44.2%。为了检测Fe³⁺，使用常见的激光打印机设计并制造了一种基于微流控技术的纸质分析装置（μPAD），随后将N-CQDs固定为探针。通过将便携式设备与自主研发的移动应用程序相结合，可在几分钟内实现Fe³⁺的定量分析。该方法具有0.01–3 mg/L的线性检测范围、8 μg/L的检测限以及对Fe³⁺的优异选择性，在水和血清样品的加标回收实验中，回收率达到了98.0%–110.0%。这项工作为环境监测和即时诊断中的重金属离子现场低成本检测提供了可行的解决方案。

引言

铁在人体中发挥着重要的生理作用，主要参与氧气运输、交换和组织呼吸。同时，铁对于维持正常的造血功能和增强免疫力也至关重要[1]、[2]、[3]。世界卫生组织（WHO）对饮用水中的铁含量有明确的规定，设定为0.3 mg/L[4]、[5]。人体内的铁含量通常通过检测血清中的铁离子水平来反映，男性的正常范围约为0.6–1.8 mg/L，女性为0.5–1.7 mg/L[6]、[7]。传统的铁离子（Fe³⁺）检测方法，如原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS），以及常用的微量元素检测方法，都以高灵敏度和良好准确性而闻名。然而，这些方法依赖于大型且复杂的设备，不仅对安装环境有严格要求，而且操作和维护也需要专业知识[8]、[9]。复杂的样品预处理过程以及高昂的检测成本限制了其在现场监测中的应用。

量子点（QDs）是三维尺寸均处于纳米级的半导体纳米晶体，这赋予了它们特殊的性质。由于其纳米级的尺寸，量子点在光学、电子学和非线性光学领域表现出显著的表面和界面效应。这些效应共同使得量子点在光电设备、显示技术和环境监测等领域具有广泛的应用潜力[10]、[11]、[12]。无机纳米材料如量子点、金纳米颗粒等，因其独特的尺寸依赖性光学、电学和磁学性质而被广泛用于传染病的检测[13]。其中，碳量子点（CQDs）由于其低毒性、良好的生物相容性和高稳定性而受到越来越多的关注。从宏观角度来看，CQDs的合成方法分为两类：“自上而下”的方法，包括化学氧化和激光蚀刻；另一种是“自下而上”的方法，如微波合成、水热法等[14]、[15]。

微流控技术通过集成微系统实现了微尺度通道内的精确流体操控。基于微制造技术，它构建了具有复杂结构的芯片平台，用于高精度控制流体混合、分离和反应[16]、[17]、[18]。与传统批量方法相比，微流控系统通过快速的质量和热量传递促进了原位量子点合成，提高了反应效率并确保了反应的可控性[19]、[20]。Rao等人[21]使用无水柠檬酸和乙二胺作为前体，通过微反应器技术在5分钟内实现了碳点的大规模快速合成，获得了60.1%的高量子产率。Epps等人[22]开发了一个模块化的自动化微流控平台，用于系统研究室温合成的铯铅卤化物钙钛矿纳米晶体，实现了纳米晶体生长的实时监测。同时，微流控技术也为检测应用提供了有效平台。Huang等人[23]将液滴微流控技术应用于多步骤生物测定，包括核酸检测和免疫测定，充分展示了微流控系统在精确控制和功能集成方面的优势。基于分光光度法，Youngvises等人[24]开发了一种具有PDMS-PMMA-PDMS三层结构的微流控芯片，分别检测了Fe²⁺和Fe³⁺的浓度。

与传统方法相比，微流控策略显著缩短了检测时间并提高了分析效率。然而，其操作仍然相对复杂，通常需要外部设备和操作的支持。基于毛细驱动的微流控纸质分析装置（μPAD）在荧光光谱检测中表现出显著优势，因为它们不需要外部泵，制造简单且环保。这些芯片可以实现病原微生物、农药残留物、金属颗粒等物质的检测。特别是，荧光信号的高灵敏度使得通过便携式设备进行定量分析成为可能，从而实现了检测方法的连续应用[25]、[26]。例如，Lewińska等人[27]通过蜡印技术制造了一种μPAD。通过结合平板扫描仪和智能手机收集颜色信号，实现了血清中Ca²⁺和Mg²⁺的同时定量。Aryal等人[28]使用蝴蝶豌豆花青素作为显色剂构建了一种纸质传感器，结合智能手机比色法，实现了水中Fe³⁺的定量检测，工作范围为50–800 mg/L。Xie等人[29]系统回顾了侧向流动分析技术在重金属离子检测中的应用，证明了结合核酸探针、适配体和抗体的纸质装置能够快速、现场筛查多种重金属离子。

基于量子点和微流控技术在重金属离子检测中的优势，本研究开发了一种用于制备氮掺杂碳量子点（N-CQDs）的微流控合成策略。系统优化了合成条件，以提高其反应效率和荧光性能。此外，全面表征了N-CQDs的物理化学性质，阐明了其与Fe³⁺相互作用的荧光猝灭机制。在此基础上，设计并制造了一种易于操作且响应快速的纸质检测装置。结合智能手机传感技术，该装置旨在实现环境水和人体血清样本中Fe³⁺的高效和实时检测。

材料

本研究使用的主要化学试剂和材料的来源如下：柠檬酸（碳源）购自上海博乐化学试剂有限公司；尿素（氮源）和硫酸奎宁（荧光量子产率参考物质）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。Fe³⁺标准溶液、Tween 20、三氯乙酸和亚甲蓝购自上海麦克林生化科技有限公司。

N-CQDs微流控合成的参数优化

在正交实验中，选择了三个关键因素进行优化，每个因素有三个水平：柠檬酸浓度、混合雷诺数和加热温度。如图S3所示，当雷诺数（Re）达到10时，微混合器内部形成了稳定的涡流和二次流动，混合机制从低Re值时的扩散主导转变为高效的对流主导。尽管增加混合雷诺数有助于改善

结论与展望

为了满足对Fe³⁺的快速和便携式检测需求，本研究进行了系统研究，包括可控的纳米探针合成、传感界面的构建以及集成检测平台的开发。在优化条件下，获得的N-CQDs表现出44.2%的荧光量子产率，且仅耗时15分钟，显著短于传统方法。丰富的官能团如羧基和氨基

CRediT作者贡献声明

连宇航：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法学、数据管理、撰写——审阅与编辑。欧阳慧萍：验证、方法学、研究、数据管理、撰写——原始草稿、撰写——审阅与编辑。陈雪艺：撰写——原始草稿、研究、撰写——审阅与编辑。周明勇：撰写——原始草稿、监督、项目管理、资金获取、概念化、撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点环境保护实验室重金属污染物监测开放资助（编号：KLMHM202431）、极端服役性能精密制造国家重点实验室项目、中南大学（编号：ZZYJKT2024–15）以及中南大学基本研究基金（编号：2025ZZTS0769）的支持。