氟和氮共掺杂碳点（F, N-CDs）用于增强鲁米诺化学发光并实现左乙拉西坦的灵敏检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Fluorine and nitrogen co-doped carbon dots (F, N-CDs) for enhanced luminol chemiluminescence and sensitive detection of levetiracetam

　　

Hao Xue|Tianyi Ma|Hong Zheng|Luoyilan Zhang|Ke Cheng

中国重庆市401331，重庆师范大学生命科学学院，教育部活性物质与生物技术工程研究中心

摘要

以金樱子花为前驱体，通过一步水热法合成了生物质衍生的氟氮共掺杂碳点（F, N-CDs）。所制备的F, N-CDs具有优良的光学性质、良好的水溶性，并且能显著增强鲁米诺-K₂S₂O₈-NaOH体系的化学发光强度。通过紫外-可见吸收光谱、荧光光谱以及荧光寿命分析对它们的光学特性进行了系统研究。进一步通过活性氧清除实验和单线态氧探针实验探究了其增强化学发光的机制。在此基础上，开发了一种改进的流动注射化学发光法用于检测左乙拉西坦。在优化条件下，该方法的化学发光强度与左乙拉西坦浓度在0.10–10.00?mM范围内呈良好线性关系，检测限为2.02?×?10^?3?mM，定量限为6.71?×?10^?3?mM。该方法已成功应用于市售左乙拉西坦制剂中，回收率在94.8–103.1%之间，相对标准偏差低于4.68%。这些结果展示了生物质衍生碳点在光谱分析、表征以及基于化学发光的分析应用中的潜力。

引言

左乙拉西坦是一种吡咯烷酮类抗癫痫药物，其化学名为(2S)-2-(2-氧代吡咯烷-1-基)(C₈H₁₄N₂O₂)。它的抗癫痫作用主要通过与突触囊泡蛋白2A结合，从而调节神经递质的释放和神经元兴奋性[1]、[2]、[3]。在多种动物模型中都证明了它的抗癫痫效果。由于其良好的药代动力学特性、明确的疗效以及相对较轻的不良反应，左乙拉西坦被广泛用作儿童和成人各类癫痫发作的单一疗法或辅助疗法[4]、[5]、[6]。因此，准确测定药品制剂和生物样本中的左乙拉西坦含量对于治疗药物监测、质量控制以及患者安全至关重要。

过去十年中，已有多种分析技术被用于左乙拉西坦的定性和定量分析。有一种气相色谱-质谱法可用于左乙拉西坦的定量分析，其线性范围为5.0?ng/mL至20.0?μg/mL（R² = 0.9991），检测限为0.004?μg/mL[6]。Rinky Agarwal[7]制备了一种MoS₂/PEG修饰的电化学探针，可用于伏安法检测左乙拉西坦，其检测限为14.20?μM。还有基于分子印迹聚合物-碳糊传感器的差分脉冲伏安法检测左乙拉西坦的方法，该方法的线性校准范围为0–60?μg/mL，且抗干扰能力较强[8]。此外，Sara EI-Hanboushy[9]建立了一种可持续的高性能液相色谱-紫外光谱法，检测波长为210?nm，浓度范围为10.00–100.00?μg/mL，线性关系良好（R² ≥ 0.9990）。还有荧光法[10]和毛细管电泳法[11]也被用于左乙拉西坦的分析。尽管这些方法通常具有较好的灵敏度和选择性，但各自也存在一定的局限性。例如，色谱法往往需要复杂的仪器和繁琐的样品前处理步骤；电化学传感器虽然分析速度快，但可能会受到电极污染、稳定性较差或线性范围较窄的影响；荧光分析法容易受到背景荧光的影响，而毛细管电泳则通常需要对分离条件进行精细优化。因此，仍需要能够同时具备高灵敏度、快速响应、操作简单且成本低廉的替代分析策略。

化学发光是指通过化学反应产生的光发射现象，反应中电子激发的中间体或产物在返回基态时以光的形式释放能量[12]、[13]、[14]。由于其具有高灵敏度、宽动态范围、快速响应以及对仪器要求较低等优点，化学发光在分析化学领域受到了广泛关注。鲁米诺（3-氨基邻苯二酰肼）因其结构简单、易于合成、发光性能良好且毒性低，而被广泛用作化学发光的底物[15]、[16]、[17]。流动注射化学发光法通过实现自动化和高通量分析，进一步提升了分析性能[18]。这种技术已被成功应用于药品[18]、[19]、食品[20]、[21]、环境样品[22]、[23]以及有害染料[24]中多种分析物的检测。然而，许多基于鲁米诺的化学发光体系使用H₂O₂作为氧化剂，而这种氧化剂可能不稳定，会导致信号波动以及在连续检测过程中重现性差[25]、[26]。因此，建立稳定的氧化剂体系以及高效的催化增强剂对于提升基于化学发光的分析方法非常重要。

由于纳米材料独特的催化和表面特性，它们被广泛用于调控化学发光及相关发光反应。有人利用黑磷量子点构建了BPQDs-Luminol-K₃Fe(CN)₆化学发光体系，在中性条件（pH=7.4）下，其化学发光强度比单纯的Luminol-K₃Fe(CN)₆体系高出五倍[27]。Chen等人[28]则使用石墨烯碳氮化物纳米片作为阴极发射剂，鲁米诺作为阳极发射剂，以K₂S₂O₈-H₂O₂体系作为反应物，构建了一种用于检测Aβ肽的电化学发光传感器。另有研究使用鲁米诺功能化的石墨烯量子点开发出了检测Fe³⁺的传感器，其检测限为1.5?μM[29]。这些研究都表明纳米材料在调控发光反应以及提升分析性能方面具有巨大潜力。

在各类纳米材料中，碳点是一类零维碳基纳米材料，其直径通常小于10?nm[30]。碳点具有优异的光致发光性能、良好的生物相容性以及可调控的表面化学性质，因此被广泛应用于生物成像[31]、[32]、[33]、生物传感[34]、[35]、[36]、抗菌应用[37]、[38]、[39]以及催化领域[40]、[41]、[42]。碳点的表面功能很大程度上取决于合成前驱体的选择，传统的碳点可由多种含碳化合物合成[43]。近年来，生物质衍生的碳点作为一种可持续的替代品，逐渐取代了化学合成的碳点[44]、[45]。天然前驱体能够提供丰富的碳源和功能基团，有助于实现环保且成本低廉的碳点合成，同时减少对环境的影响。此外，通过引入氮、磷、硼、氟等非金属元素进行掺杂，还可以改善碳点的光学性质和催化活性，进一步提升其在传感应用中的性能。

金樱子是一种常见的观赏植物，富含多种生物活性酚类化合物，如芦丁、花青素、黄酮类化合物以及酚酸类物质[46]。这些成分使得金樱子花成为合成功能性碳基纳米材料的优质生物质前驱体。这些丰富的有机成分可在水热碳化过程中充当有效的碳源。此外，其中含有的含氧功能基团有助于形成表面活性位点，进而提高所得碳点的分散性及催化性能。

在本研究中，以金樱子花为碳源，NH₄F为掺杂剂，通过简单的一步水热法合成了氟氮共掺杂碳点。这类碳点在鲁米诺-K₂S₂O₈-NaOH化学发光体系中可作为高效的催化增强剂，不仅能提升化学发光强度，还能提高信号的稳定性。基于这一效应，我们建立了鲁米诺-K₂S₂O₈-NaOH-(F, N-CDs)流动注射化学发光分析平台（见图1），用于检测左乙拉西坦。该方法具有响应速度快、操作简单、样品前处理要求低以及仪器需求少等优点。通过对市售药品样品的分析，进一步证明了该方法的适用性。这些结果凸显了生物质衍生碳点在开发实用型化学发光分析平台方面的巨大潜力。

章节节选

材料与试剂

金樱子花采集自中国重庆市的重庆师范大学校园。无水氯化钙（CaCl₂，分析级）、硫酸铁（Fe₂(SO₄)₃，分析级）以及磺胺类试剂（SA，分析级）分别购自天津智源化学试剂有限公司、天津富晨化学试剂厂和天津广福精细化学研究所。一水柠檬酸（C₆H₈O₇•H₂O，希龙科学有限公司，分析级），硫酸（H₂SO₄，重庆

F, N-CDs的制备与优化

本研究采用一步水热法，以金樱子花为碳源，制备了四种不同类型的碳点。未添加掺杂剂的碳点即为未掺杂碳点，而通过添加NH₄F、NH₄BF₄和NH₄B₅O₈•4H₂O四种物质，分别制备了氟氮共掺杂碳点、硼氮共掺杂碳点以及硼氟氮共掺杂碳点。为了确定最佳的合成条件

结论

在本研究中，我们通过一步水热法制备了生物质衍生的氟氮共掺杂碳点，并通过紫外-可见吸收光谱、荧光光谱以及荧光寿命分析对其进行了系统表征。所获得的这类碳点具有优良的光学性质，且能显著增强鲁米诺-K₂S₂O₈-NaOH体系的化学发光强度。基于这种增强效应，我们开发了一种灵敏的流动注射化学发光分析平台，用于检测左乙拉西坦。该方法在检测范围内表现出良好的线性关系

作者贡献说明

Hao Xue：概念设计、方法设计、软件应用、实验开展、数据整理、正式分析、结果验证、初稿撰写、论文修订与编辑。Tianyi Ma：项目指导、软件应用、实验指导。Hong Zheng：概念设计、方法设计、项目指导、资源协调、项目管理、资金申请。Luoyilan Zhang：正式分析、结果验证。Ke Cheng：方法设计、数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了重庆市教育委员会的研究生科学研究创新项目（编号CYB25250）、四川省中枢神经系统产品研发重点实验室（项目编号230041-01SZ）以及重庆市教育委员会科技研究计划（项目编号KJZD-K202300504）的支持。