基于D-葡萄糖碳点（D-GluCDs）的荧光“开启”传感器用于食品基质与环境样品中环丙沙星的高选择性检测

《South African Journal of Chemical Engineering》：D-glucose carbon dots as a turn-on fluorescent sensor for highly selective detection of ciprofloxacin in food matrices and environmental samples

　　

论文摘要专业翻译 环丙沙星（Ciprofloxacin, CIP）作为一种合成来源的第三代氟喹诺酮类抗生素，因其广谱抗菌活性而被广泛应用于人类和家禽疾病管理。其大量使用和高环境持久性已导致水生环境污染，并对水生生物构成严重风险。本研究以D-葡萄糖一水合物（C6H12O6·H2O）为碳前驱体、尿素（CH4N2O）为氮掺杂剂，通过一步水热法合成了D-葡萄糖碳点（D-GluCDs）。所制备的D-GluCDs呈准球形形貌，粒径约4.5 nm，具有明亮的蓝色荧光和激发非依赖型发射行为，荧光量子产率（FLQY）达54%。基于CIP诱导D-GluCDs荧光强度逐步增强的现象，研究人员构建了一种荧光“开启”（turn-on）传感平台。在最优条件下，该传感器对CIP的检测线性范围为0.50–3.50 μM，检出限（LOD）为0.24 μM（3σ/k）。选择性实验表明，其他抗生素（包括阿莫西林、左氧氟沙星、甲泼尼龙等）对D-GluCDs的荧光响应无显著干扰，证明该传感器对CIP具有优异的选择性。荧光增强机制归因于CIP与D-GluCDs之间的氢键相互作用和电荷转移（包括光诱导电子转移（PET）的抑制与分子内电荷转移（ICT）的增强）的协同效应。研究人员将该传感器成功应用于牛奶、汤、自来水和湖水等实际样品中CIP的加标回收检测，回收率为95.4%–105.08%，相对标准偏差（RSD）为0.19%–1.44%。该研究提供了一种简单、低成本、高选择性和高灵敏度的CIP检测方法，在食品安全和环境监测领域具有广阔的应用前景。

论文解读文章

一、研究背景与意义

环丙沙星（Ciprofloxacin, CIP）是一种合成来源的第三代氟喹诺酮类抗生素，凭借其广谱抗菌活性，被广泛用于人类和家禽疾病的防治。然而，CIP的大量使用和高度环境持久性导致其在水生环境中广泛残留，对水生生物造成潜在风险。此外，畜牧业活动中CIP的残留可通过动物粪便进入土壤，进而扩散至河流、湖泊和海洋生态系统，最终通过食物链（如受污染的水源、牛肉和牛奶等）间接暴露于人类。长期暴露于CIP已被证实与呼吸道感染、皮肤感染、神经损伤等健康问题相关，世界卫生组织（WHO）已将CIP列为重点关注的环境化学污染物之一。

目前，CIP的检测方法主要包括高效液相色谱法（HPLC）、电化学分析、免疫层析试纸条、超高效液相色谱-质谱联用（UHPLC–MS）、无标记表面增强拉曼光谱和毛细管电泳等。然而，这些方法普遍存在操作复杂、成本高昂、对环境条件敏感、需要专业仪器和培训人员等局限，难以满足常规快速分析的需求。相比之下，荧光传感策略具有响应快速、灵敏度高、选择性好、操作简便和成本低廉等优势。近年来，多种荧光传感平台已被开发用于CIP检测，如分子印迹荧光传感器、金属纳米簇探针、二维纳米片体系和金属有机框架（MOF）辅助比率传感器等，但这些平台往往依赖多步制备流程、表面功能化或模板印迹等复杂工艺，增加了传感器制备和实际应用的难度。因此，开发一种通过简单一步合成、使用廉价易得前驱体且保持良好分析性能的荧光传感器具有重要的研究意义和应用价值。

二、研究内容概述

针对上述问题，研究人员选用D-葡萄糖一水合物作为碳源、尿素作为氮掺杂剂，通过一步水热法在180 °C下反应5小时成功合成了氮掺杂碳点（D-GluCDs）。D-葡萄糖作为还原性单糖，含有活性醛基和丰富的羟基（OH），无需复杂多糖所需的初始水解步骤即可快速高效地完成脱水、缩合和碳核形成，从而获得尺寸均匀、水溶性优异且光学性质高度可重复的碳点。研究人员系统考察了D-GluCDs的形貌结构、光学性质、稳定性及其对CIP的传感性能，并成功将该传感器应用于牛奶、汤、自来水和湖水等实际样品中CIP的检测，加标回收率为95.4%–105.08%，相对标准偏差（RSD）为0.19%–1.44%，验证了该传感器在实际样品分析中的可行性。该研究为CIP的快速、灵敏、选择性检测提供了一种简单、低成本的荧光传感平台，在食品安全和环境监测领域具有广阔的应用前景。

三、主要关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：其一，一步水热合成法，以D-葡萄糖一水合物和尿素为前驱体，在180 °C下反应5小时制备氮掺杂碳点（D-GluCDs）；其二，多种材料表征技术，包括高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）结合选区电子衍射（SAED）分析形貌与晶格结构、X射线衍射（XRD）分析晶体结构、拉曼光谱（Raman）分析碳结构缺陷程度、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）分析表面化学组成与官能团；其三，光谱分析技术，包括紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和荧光光谱（PL）研究光学性质，时间分辨荧光衰减测量分析荧光寿命，Zeta电位分析表面电荷性质；其四，传感性能评价方法，包括灵敏度测试（0.50–3.50 μM线性范围）、选择性测试（10种抗生素干扰物）、pH和储存稳定性测试以及实际样品（牛奶、汤、自来水、湖水，其中湖水采自印度尼西亚多巴湖，自来水和食品样品采自北苏门答腊大学附近）加标回收实验。

四、研究结果

3.1 D-GluCDs的形貌与结构

HR-TEM分析显示，D-GluCDs呈准球形、分散良好且无聚集，粒径约4.5 nm，晶格条纹间距为0.32 nm。SAED和XRD结果共同表明D-GluCDs以石墨相为核心，XRD在2θ=24.26°处出现宽峰，对应石墨烯（002）衍射面，氮掺杂降低了碳结构的结晶度。拉曼光谱显示D带（1362 cm^-1）和G带（1594 cm^-1），I_D/I_G比值为0.85，表明存在较高水平的结构缺陷。FT-IR分析证实了O–H、N–H、C≡C、C=C、C=O和C–O等官能团的存在。XPS分析表明D-GluCDs由碳（72.71%）、氮（13.50%）和氧（13.29%）组成，N1s谱显示N–H键（399.66 eV），证实氮成功掺入碳点结构。

3.2 D-GluCDs的光学性质

UV-Vis吸收光谱在273 nm处显示π–π跃迁（C=C），在294 nm处显示n–π跃迁（C=O）。最佳激发和发射波长分别为320 nm和430 nm。D-GluCDs在360–470 nm范围内表现出激发依赖型荧光行为，CIE 1931色度坐标显示蓝色发射。以硫酸奎宁为参比，D-GluCDs的荧光量子产率（FLQY）为54%。时间分辨荧光衰减拟合为双指数函数，D-GluCDs的寿命常数为τ₁=1.8 ns和τ₂=3.59 ns，加入CIP后分别降至τ₁=1.2 ns和τ₂=2.42 ns。Zeta电位测定表明D-GluCDs表面带负电荷（?17.4 mV），与FT-IR和XPS结果一致，证实–COOH和–OH官能团的存在。

3.3 D-GluCDs荧光传感器检测CIP的应用

在最优条件下（pH 7），D-GluCDs对0.50–3.50 μM浓度范围的CIP表现出逐步增强的荧光响应。线性方程为(F?F₀)/F₀ = 0.0281C_CIP – 0.03258，R² = 0.99167，检出限（LOD）为0.24 μM（3σ/k）。荧光增强机制归因于CIP与D-GluCDs之间的氢键相互作用和电荷转移。pH稳定性研究表明，D-GluCDs在pH 3、4、7–9、11–12范围内荧光响应稳定，pH 9时达到最大值。储存稳定性实验表明，D-GluCDs在4 °C避光条件下储存7天荧光强度无明显变化，D-GluCDs+CIP体系在22天内保持稳定。选择性实验表明，CIP能显著增强D-GluCDs的荧光强度，而其他9种抗生素（AMX、METH、METO、MEFE、CET、DIC、OME、LAN、LEVO）均无明显干扰，且CIP的检测不受共存抗生素的影响。

3.4 D-GluCDs与CIP的相互作用机制及荧光“开启”增强

荧光增强机制源于表面钝化、电荷转移和电子复合过程的协同作用。D-GluCDs表面的羟基和羧基官能团与CIP的氟原子和氮原子通过氢键发生强相互作用，形成D-GluCDs@CIP复合物。UV-Vis光谱中CIP的加入导致D-GluCDs特征吸收峰发生红移，表明CIP与D-GluCDs之间存在部分电子转移。荧光寿命从1.8 ns降至1.2 ns，表明氢键作用贡献了非辐射衰减机制，同时促进了荧光增强。

3.5 能级图（HOMO–LUMO）与电荷转移机制

CIP的HOMO和LUMO能级分别为?6.80 eV和?2.50 eV，能隙（ΔE_g）为4.30 eV；D-GluCDs的HOMO和LUMO能级分别为?5.70 eV和?2.82 eV，能隙为2.88 eV。由于CIP的LUMO（?2.50 eV）高于D-GluCDs的LUMO（?2.82 eV），电子可从CIP转移至D-GluCDs，符合供体型光诱导电子转移（D-PET）机制，其中CIP为电子供体，D-GluCDs为电子受体。该能级排列抑制了非辐射复合途径并增强了辐射发射。同时，CIP与D-GluCDs表面官能团的相互作用促进了分子内电荷转移（ICT）过程，电子密度从CIP的富电子区域向D-GluCDs的受体位点重新分布，减少了能量损失并稳定了激发态。PET抑制与ICT增强的协同效应共同导致了显著的荧光“开启”响应。

3.6 应用性能比较

在实际样品检测中，研究人员将CIP以1.5、2.5和3.5 μM的浓度加标至自来水、湖水、牛奶和汤样品中，回收率为95.4%–105.08%，RSD为0.19%–1.44%。与文献报道的其他荧光探针相比，本工作所开发的D-GluCDs传感器具有更低的检出限（0.24 μM）和更宽的线性范围适应性，且制备方法更为简单、成本更低。由于该传感器的检出限低于实际样品中CIP的浓度水平（小于1.5 μM），因此可直接用于自来水、湖水、牛奶和汤中CIP的检测。

五、结论

本研究以D-葡萄糖一水合物和尿素为廉价易得的前驱体，通过简单的一步水热法成功合成了D-GluCDs。所得D-GluCDs具有明亮的蓝色荧光、较高的荧光量子产率（0.54）、均匀的粒径（约4.5 nm）和良好的水分散性。作为荧光“开启”探针，D-GluCDs对CIP表现出高选择性，线性检测范围为0.50–3.50 μM，检出限低至0.24 μM。荧光增强归因于CIP与D-GluCDs之间氢键和电荷转移相互作用的协同贡献。此外，该传感器在环境水样和食品样品中均取得了满意的检测性能，证明其作为一种简单、低成本、实用的CIP检测平台具有广阔的应用潜力。