一种简便的Mn/NP共掺杂碳点合成方法，用于高选择性和高灵敏度的荧光探针检测Ag+离子：在食品样品分析和细胞成像中的应用

《Inorganic Chemistry Communications》：A facile synthesis of Mn/NP-codoped carbon dots for highly selective and sensitive fluorescent probe detection of Ag+ ions: applications in food sample analysis and cell imaging

　　Alagarsamy Priyadharshini | Sonaimuthu Mohandoss | Ayyakannu Arumugam Napoleon
印度泰米尔纳德邦韦洛尔632014，韦洛尔理工学院高级科学学院化学系

**摘要**
Ag+离子的检测具有重要意义，因为它们在工业上有广泛的应用并且具有毒性。在这项工作中，通过一种简单的一锅法水热工艺制备了Mn/N, P共掺杂的碳点（Mn/NP-CDs），其中使用酒石酸作为碳前体，乙二胺作为氮源，磷酸作为磷前体，硝酸锰作为锰前体。所得到的Mn/NP-CDs具有明亮的蓝色荧光、优异的水溶性、显著的光稳定性以及明确的粒径分布，平均粒径为4.21 ± 0.21 nm（范围在1.0至7.0 nm之间）。激子峰位于360 nm，发射峰位于416 nm，量子产率为30.2%。由于Ag+与表面上的–NH2、–PO4和–COOH之间的配位作用，Mn/NP-CDs在响应Ag+离子时表现出较高的荧光淬灭性能。此外，Mn/NP-CDs对其他干扰金属离子具有很高的选择性，线性检测范围为0–10 μM，检测限为83.5 nM。进一步地，Mn/NP-CDs的荧光寿命测量表明它们对Ag+离子具有很高的亲和力。此外，Mn/NP-CDs还表现出优异的可逆性和重复性。实际应用中，成功地在水样和固体样品中检测到了Ag+。由于Mn/NP-CDs的细胞毒性很低且能很好地渗透生物细胞，因此被用于HCT-116细胞的荧光成像。

**引言**
工业化的快速发展导致了重金属离子对水资源的严重污染，这对环境安全、人类健康和生物体构成了严重威胁[1]。在这些污染物中，银离子（Ag+）常见于电子、摄影、珠宝和催化等领域。然而，银的广泛使用导致其在环境中的积累，引发了严重的健康和生态问题[2]。将Ag+的浓度控制在安全范围内非常重要，因为高浓度可能会产生毒性作用。根据世界卫生组织（WHO）的规定，饮用水中Ag+的最大允许浓度不应超过0.5 μM[3]。在该浓度以上，饮用水中的Ag+离子可能会与细胞中的氨基酸或代谢物结合，从而损害人类细胞，导致多种疾病，如神经系统损伤、心脏扩大、皮肤损伤、肝肾损伤等，并且Ag+在体外对哺乳动物细胞具有基因毒性[4]。此外，银基材料在食品包装和食品接触应用中的使用也存在离子渗出的潜在风险。因此，开发有效的材料和方法来检测、吸附和去除环境系统中的有毒金属离子已成为迫切且关键的需求[5]。已经开发了多种分析方法来检测Ag+，包括质谱法、原子吸收光谱法和电化学技术[6]。尽管这些方法有效，但它们受到复杂仪器、繁琐程序和较长分析时间的限制，这限制了它们的简便性、低成本、快速响应和高灵敏度[7]。基于荧光的检测方法具有额外的优势，如高灵敏度、操作简便和实时检测能力。基于这些优势，设计了许多用于检测Ag+的荧光探针，包括有机荧光染料、半导体量子点、贵金属纳米簇和碳点[8]。

碳点（CDs）通常被定义为零维碳基纳米材料，其粒径小于10 nm，是一种相对较新的非共价纳米材料，因其有趣的光学特性、无毒性和生物相容性以及优异的水溶性而受到广泛研究关注[9]。CDs由sp2和sp3杂化的碳组成，表面具有丰富的官能团，如羟基、羧基、羰基、氨基和巯基。Xu等人于2004年首次引入CDs，表明其在生物成像、环境传感和医学应用方面具有巨大潜力[10]。CDs的合成方法大致可分为两类：自上而下和自下而上的方法。自上而下的方法包括将碳材料切割成碳纳米颗粒，如激光烧蚀、电弧放电、电化学方法和等离子体处理。自下而上的方法包括水热法、溶剂热法、热解法、微波辅助法和化学氧化法[11]。其中，水热法被认为是绿色且高效的合成方法。用氮[12]、硫[14]、磷[15]、硼[17]等杂原子掺杂CDs被认为对调节其表面化学性质至关重要。这些杂原子的引入在其表面引入了新的缺陷状态，从而提高了电荷转移效率并调节了CDs的电子结构[18]。最终，这导致量子产率提高、光稳定性增强和更好的水溶性。近年来，基于生物质的前体和杂原子掺杂的CDs在荧光探针设计方面取得了显著进展[19]。除了杂原子掺杂外，人们还加大了对过渡金属掺杂CDs的研究，包括Fe[20]、Zn[21]、Cu[22]和Co[23]等金属。据信，金属掺杂可以增加CDs的电子密度，在碳框架内引入新的能级，从而调节辐射复合路径。这些修改显著提高了荧光强度、量子产率和表面化学活性[24]。此外，埋藏在CDs内部的金属离子像活性识别中心一样，更愿意与目标分析物相互作用，从而提供比未掺杂的CDs更快的响应时间和更好的传感性能。

Harish等人的研究表明，锰-氮双掺杂的碳量子点作为甲氨蝶呤的有效载体具有响应pH值的能力，并且能够实时进行荧光成像。该载体在低酸环境下表现出高效的装载能力和加速释放封装的甲氨蝶呤，这与肿瘤组织中的情况相似。理论评估证明，这种量子点能够靶向抗癌剂，对正常细胞具有生物相容性，并能被细胞主动吸收[25]。Shan等人的研究展示了锰掺杂的碳点具有红色荧光，可作为同时检测铬（VI）离子和L-抗坏血酸的双响应荧光探针。Mn掺杂的碳点显示出高效的检测能力、低检测限和“开-关-开”类型的传感机制，适用于基于智能手机的分析仪器。由于Mn掺杂的碳点具有高生物相容性和深渗透能力，实现了HeLa细胞的细胞内检测。该传感系统在生物分析研究等领域具有多种有前景的功能[26]。与之前报道的Mn掺杂碳点系统相比，我们的碳量子点具有更高的荧光量子产率，从而实现更强的发射和更好的信号可靠性。本研究中开发的探针对Ag+离子具有非常高的灵敏度，检测限极低，适用于精确的痕量分析。此外，这种材料具有低细胞毒性和良好的生物相容性，因此适用于生物学和环境领域。因此，它证明了所提出传感器的灵敏度和适用性方面的优点。故意向碳点中添加Mn、N和P是为了优化这些点的物理化学性质，特别是对Ag+离子的灵敏度。研究发现，N掺杂通过引入表面缺陷和活性位点改变了这些点的电子特性，从而增加了荧光强度。同样，磷的添加由于含有未共享电子对，增强了与金属离子的配位能力。Mn掺杂具有更特定的作用，因为它使d轨道参与与Ag+离子的配位，从而提高了选择性和灵敏度。Mn、N和P的协同掺杂相比单一和双重掺杂材料具有更大的优势。单一掺杂会增加荧光或结合性能，而双重掺杂会部分增加这两种性能；然而，三重掺杂可以创建更多的活性位点并增强电子转移能力以及对金属离子的亲和力。这提高了这些材料的传感能力，如更高的灵敏度和检测能力。

在本研究中，使用酒石酸、乙二胺、磷酸和氯化锰作为起始材料，通过简单的一锅法水热方法成功合成了锰和氮、磷共掺杂的碳点（Mn/NP-CDs，如图1所示）。所得到的Mn/NP-CDs具有优异的水分散性、低毒性、强荧光和高量子产率（30.2%）以及强蓝色发射。通过UV-Vis吸收、荧光、FTIR光谱、XRD、HR-TEM和XPS等技术对合成的Mn/NP-CDs进行了全面表征。荧光传感测量表明，Mn/NP-CDs的水胶体分散体对Ag+离子表现出有效的淬灭作用。确定Ag+离子的检测限（LOD）为83.5 nM，表明该系统对Ag+离子具有很高的灵敏度。此外，该探针在实际应用中得到了验证，包括环境水样、食品样品和细胞成像。这项工作提出了一种超灵敏的荧光检测方法，用于痕量检测Ag+离子，在环境监测和生物分析中具有巨大潜力。

**材料**
酒石酸、乙二胺、磷酸和氯化锰从Sigma Aldrich（印度）购买。金属硝酸盐和氯化物盐从TCI Chemical Company购买。超纯水来自Milli-Q水净化系统。所有商业上可获得的最高纯度的溶剂和试剂均直接使用，无需任何修改。

**Mn/NP-CDs的合成**
采用简单的一锅法水热方法制备了Mn/NP-CDs。

**Mn/NP-CDs的光学性质**
使用UV-Vis和FL发射光谱法对最优的Mn/NP-CDs进行了光学性质表征。Mn/NP-CDs的UV-Vis吸收光谱和最大激发及发射光谱（图1）显示，Mn/NP-CDs在232 nm处有一个肩峰吸收，这是π–π*（C=C）跃迁的结果；在319 nm处有一个尖锐而强的吸收峰，这是表面羰基和胺官能团参与的n-π*跃迁的特征。

**结论**
总之，通过简单的一步水热工艺制备了具有优异光电性质和改善水溶性的碳点（Mn/NP-CDs）。通过UV-Vis和荧光光谱、FTIR、XRD、HRTEM和XPS进行的详细表征研究突出了其有希望的物理化学特性。Mn/NP-CDs表现出显著的荧光效率（30.2%），平均粒径为4.21 ± 0.21 nm，形态稳定。

**作者贡献声明**
Alagarsamy Priyadharshini：撰写——原始草稿、研究、数据管理、概念化。
Sonaimuthu Mohandoss：撰写——审稿与编辑、监督、正式分析。
A.A. Napoleon：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、研究。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
韦洛尔理工学院提供了XRD和XPS设施，作者感谢VIT大学提供的研究和实验室设施，包括SIF-VIT大学。
Alagarsamy Priyadharshini在印度马杜赖卡马拉杰大学获得了化学学士学位（2021年）和硕士学位（2023年）。目前她在印度韦洛尔理工学院的化学系，在A.A. Napoleon教授的指导下进行博士研究。她的研究重点是设计和合成用于传感器应用的小分子衍生碳纳米材料，包括金属离子的选择性检测和实际样品分析。