基于敏感生物植物提取物的碳量子点作为双模式荧光开关传感器，用于选择性识别皮摩尔级的Zn2+和L-半胱氨酸：一种采用FDIB方法并具有绿色分析特性的技术

《Nano-Structures & Nano-Objects》：Biophytum sensitivum derived carbon quantum dots (CQDs) as a dual-mode fluorescent turn-off-on switching sensor for the selective pico molar recognition of Zn2?+ and L-cysteine: An FDIB-based approach with green analytical metrics

　　

Ayun R. Jini|V. Thirumalaisamy|G. Gnanamani Simiyon|T. Mary Vergheese

印度泰米尔纳德邦金奈坦巴兰东区马德拉斯基督教学院化学系，邮编59

摘要

根据美国环保局的数据，超过40%的工业废水含有重金属污染物。锌污染的来源包括化石燃料燃烧、镀锌工艺、轮胎和栏杆生锈、机油、水泥生产、焦油制造以及液压液生产。基于植物的纳米材料可通过络合与螯合作用来检测重金属。本研究通过水热法从Biophytum sensitivum叶片中合成碳量子点，随后利用紫外-可见光谱、光致发光、X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱、Zeta电位分析、扫描电子显微镜-能谱仪及透射电子显微镜对所合成的碳量子点进行表征。傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱结果显示，碳量子点表面存在羧基、酮类、醛类及酯类官能团，这正是其具有高水溶性的原因。-14.5?mV的Zeta电位表明该碳量子点稳定性极高。此外，从Biophytum sensitivum叶片中合成的碳量子点无毒、成本较低，且具有生物相容性，其量子产率为38.3。在Zn²⁺存在时，该碳量子点的荧光会出现关闭现象，检测下限为20.14 pM，定量下限为60.9 pM。另外，基于荧光数字图像的方法对Zn²⁺离子具有很高的选择性，可通过智能手机拍摄，由于荧光关闭效应，图像颜色会从蓝色变为黑色，且变化程度与Zn²⁺浓度成正比。进一步地，在中性pH条件下向碳量子点/ Zn²⁺体系中加入L-Cys生物分子后，Zn²⁺会与L-Cys中的给体原子结合，使其配位完整，从而阻止Zn²⁺继续与碳量子点相互作用，进而释放出自由的碳量子点，其荧光会重新出现，这样这些自由的碳量子点就可以再次被利用。因此，这种从Biophytum sensitivum叶片中绿色合成的碳量子点提升了传感器的可持续性与生物安全性，为其在生物医学领域以及能源存储装置中的固态电解质应用带来了广阔前景。

引言

地球表面约71%被水覆盖，然而实际可用且水质清洁的水资源比例却很低，因为工业和农业活动中的污染物被不当排放到水中，导致水体受到有毒金属离子的污染[1]。据美国环保局统计，超过40%的工业废水含有重金属[2]。化石燃料燃烧、镀锌工艺、轮胎和栏杆生锈、机油使用、水泥生产、焦油制造以及液压液生产都是锌污染的来源。多年来，人们采用了物理、化学和生物方法来去除废水中的这些污染物。传统去除废水中有重金属的方法包括化学沉淀、离子交换、吸附和膜过滤[3]。尽管这些方法效果不错，但往往存在运行成本高、会产生二次废物以及在低浓度金属离子环境下效率低的问题[4]。因此，迫切需要既环保又经济的方法来减轻锌离子污染。虽然已有许多方法可用于检测Zn²⁺[5]、[6]、[7]，但目前仍急需一种简单、经济、无需专业设备即可用肉眼观测的方法，以实现高灵敏度和高选择性的最低检测限检测。

碳点是一种零维碳基纳米材料，尺寸通常在10?nm以下，具有毒性低、生物相容性好且荧光可调控的特点，同时还具备出色的光稳定性、上转换光致发光性能以及光诱导电子转移能力，因此非常适合用于传感器[8]、生物医学[9]、光催化[10]、农业[11]以及LED照明[12]等领域。碳点表面通常含有羟基、羧基、氨基等含氧和含氮官能团，这些官能团不仅提高了碳点的水溶性，还便于对其进行功能化处理。目前有多种方法可用于合成碳点，包括自上而下的方法和自下而上的方法[13]。自上而下的方法是将石墨、碳纳米管、石墨柱和石墨烯等较大规模的碳结构通过激光烧蚀、化学氧化、电化学氧化以及超声处理等方式转化为尺寸小于10?nm的碳结构。不过，这种方法的缺点在于需要昂贵的反应物和仪器，反应条件严格，且反应时间较长[14]、[15]。而自下而上的方法则是通过将较小的碳结构组合起来形成合适尺寸的碳点。用于自下而上法合成碳点的技术包括溶剂热法、微波合成法、热分解法、热解法、碳化法以及水热处理法[16]。根据碳核的结构、表面官能团的存在以及由此产生的不同性质，碳点逐渐被分为碳纳米点、碳量子点、石墨烯量子点以及碳化聚合物点。不同的合成方法能够精确控制碳点的粒径、光学性质以及表面特性，这使得碳点可以应用于多种领域[17]。

近年来，人们开发了一种基于荧光数字图像的方法，该方法利用低功率LED光源作为绿色分析工具[18]。在封闭腔体中，通过紫外线照射捕获荧光，然后通过免费的智能手机应用程序将图像转换为RGB（红、绿、蓝）、CMYK（青、品红、黄、黑）、HSV（色调、饱和度、明度）、HSB（色调、饱和度、亮度）或灰度等颜色数据格式[19]。与传统分析方法相比，这种荧光传感方法具有显著优势，它能够实现快速、现场检测，无需复杂的样品预处理，还能最大限度地减少样品污染，并在分析过程中保持样品的物理化学性质。由于FDIB系统具有便携性，因此可以在难以到达的区域进行检测，不会对人类或生态系统造成影响，相比传统的实验室分析方法，它更加简单、快捷且成本低廉，非常适合用于环境监测[20]、[21]。

在本研究中，我们报道了一种从Biophytum sensitivum叶片中绿色、环保地合成碳量子点的方法，这类碳量子点具有优异的光物理性质和生物相容性。所制备的碳量子点具有很强的水稳定性、强烈的荧光以及良好的细胞相容性，因此可被广泛应用于多种领域。具体而言，这些碳量子点可作为一种高灵敏度、高选择性的双模式荧光传感器，用于依次检测Zn²⁺离子和L-Cys生物分子，有望成为环境和生物监测领域的有力工具。最后，我们还使用了绿色性分析计算器来评估这两种传感方法的环保程度。

章节节选

材料

2025年7月至8月期间，我们从印度泰米尔纳德邦维卢普拉姆县的廷迪瓦南姆采集了被称为“小树”的Biophytum sensitivum植物样本，其地理位置为纬度12.320696°，经度79.696302°。这些植物叶片的身份已由印度泰米尔纳德邦金奈马德拉斯基督教学院的植物学系进行了分类鉴定。采集到的叶片样本经过阴干处理后，被储存在密封的聚丙烯容器中，在适宜的条件下保存以供后续使用。

ZnSO₄.7H₂O

从Biophytum sensitivum叶片中合成碳量子点

从方案1可以看出，通过水热法在180°C下反应6小时，利用Biophytum sensitivum叶片合成的碳量子点具有优异的光学性质和水溶性，其量子产率为39%，详见图S1。较高的水溶性表明这些碳量子点表面含有大量的含碳官能团，如羟基、羧基、羰基等。Biophytum sensitivum叶片中含有多种脂肪酸（如十八酸、十六烷酸）、酚类物质、烷烃等成分

结论

总之，本研究成功实现了碳量子点的合成与表征，该碳量子点可通过双模式荧光传感方法，高效、灵敏地检测水溶液中的Zn2?离子和L-Cys分子。这些碳量子点是通过水热法合成的，具有出色的光致发光性能，在360?nm的激发波长下，其特征发射峰位于419?nm处，这一结果已通过光致发光光谱分析得到验证。在添加

作者贡献说明

Ayun R Jini：负责原始稿件的撰写、软件应用、资源准备、方法设计、实验研究、正式数据分析以及数据整理工作。G Gnanamani Simiyon：负责软件应用及资源准备工作。V Thirumalaisamy：负责软件应用、资源准备、方法设计、实验研究、正式数据分析工作。Vergheese.T Mary：负责原始稿件的审阅与编辑、方法验证、研究监督、资源准备、方法设计、实验研究以及概念构思工作。

利益冲突声明

所有作者均声明不存在任何利益冲突。

致谢

我们感谢马德拉斯基督教学院化学系所提供的各种资源支持。同时，我们也感谢（CNRI）MCC-MRF创新园、SRM-NRC、SRM-SCIF、GNR仪器部门UNOM以及本地治里大学在仪器技术方面给予我们的帮助。