N、S共掺杂的碳量子点作为一种多功能平台，基于Fe2+/Fe3+氧化还原循环用于监测硫化氢和亚硝酸盐：在食品安全和生物成像中的应用

《Food Control》：N, S-co-doped carbon quantum dots as a versatile platform for monitoring hydrogen sulfide and nitrite based on Fe2+/Fe3+ redox cycle: Applications in food safety and bioimaging

荧光传感平台开发及在亚硝酸盐和硫化氢检测中的应用，基于N,S共掺杂碳量子点的Fe3?荧光淬灭机制与氧化还原反应体系，实现食品及活细胞中目标物的快速检测（检测限0.164 μM和0.114 μM），并构建便携式试纸。

　　

钟亚萍|邵凯仪|张瑞霞|张林龙|王东

教育部纺织纤维与产品重点实验室（武汉纺织大学），湖北省国际纺织材料与应用科技创新基地，武汉纺织大学，中国武汉430200

摘要

食品安全是公众关注的重点问题，因此检测食品中的有害物质变得越来越紧迫。本文设计了一种多功能荧光传感平台，该平台利用了谷胱甘肽衍生的N,S共掺杂碳量子点（N,S-CDs），能够灵敏地监测食品和活生物细胞中的亚硝酸盐（NO₂^-）和硫化氢（H₂S）。检测原理基于Fe³⁺诱导的N,S-CDs荧光淬灭效应以及NO₂^-与Fe²⁺、H₂S与Fe³⁺之间的氧化还原反应。检测的线性范围和限值（LOD）分别为：NO₂^-，1-1000 μM和0.164 μM；H₂S，25-425 μM和0.114 μM。由于其理想的生物相容性，N,S-CDs能够实现活细胞中NO₂^-和H₂S的可视化。同时，还构建了一种基于N,S-CDs的纸基荧光传感器，用于检测腌肉中的NO₂^-和变质肉中的H₂S，显示出在生物追踪和便携式传感器开发方面的巨大潜力。

引言

如今，食品安全问题仍然是公众关注的焦点。这不仅包括确保食品生产和加工的安全，还包括解决储存和运输过程中可能出现的潜在问题（Wang等人，2024年；Tian等人，2025年）。在食品生产和加工过程中，适量的亚硝酸盐（NO₂^-）可以作为抗菌剂、防腐剂和着色剂，抑制微生物生长并改善肉制品的颜色和风味。然而，过量摄入NO₂^-对人体健康有害（Yang等人，2025年）。它可能干扰血液中的氧气运输，导致组织缺氧，并与胺类物质反应生成致癌的亚硝胺，从而引发癌症和高血压（Birke等人，2022年）。世界卫生组织将亚硝酸盐归类为2A类致癌物，其在饮用水中的限值为3 mg/L（65.2 μM）（Lin等人，2024年）。在食品储存方面，长时间或不当的储存会导致食品变质。硫化氢（H₂S）自然存在于富含有机硫的食品中，如蔬菜、肉类和鸡蛋（Zhang等人，2026年）。在变质过程中，含硫细菌会将食品转化为含硫氨基酸并释放H₂S气体（Yang等人，2022年；Li等人，2025年）。H₂S作为主要的挥发性化合物，是食品变质的关键指标。过高的H₂S浓度会严重影响食品质量，对环境造成危害，并引发一系列健康问题（Maruthupandi和Lee，2025年）。因此，开发能够检测NO₂^-和H₂S的方法具有重要意义。

目前，已经开发了许多检测NO₂^-和H₂S的方法，包括电化学方法、分光光度法、色谱法、光谱法和毛细管电泳法（Yang等人，2025年；Zhao等人，2025年）。其中，荧光传感因其高灵敏度和优异的稳定性而受到广泛关注（Wang等人，2024年；Wang等人，2025年）。在我们之前的研究中，我们成功开发了针对特定物质的选择性荧光检测方法（Zhong等人，2023年；Shao等人，2024年；Zhang等人，2025年）。量子点作为一种新型荧光纳米材料，在众多荧光材料中脱颖而出，因其稳定的光学性质、良好的生物相容性、低毒性和简单的制备过程而受到关注（Zhu等人，2023年；Cao等人，2024年）。已经使用各种量子点实现了NO₂^-/H₂S的检测（Feng等人，2022年；Wang等人，2023年；Wei等人，2023年）。然而，大多数报道的材料只能单独检测NO₂^-或H₂S。这可能是因为它们分别属于氧化剂和还原剂，因此难以在同一平台上同时检测两者。鉴于NO₂^-和H₂S的水平在食品安全中都非常重要，开发一种能够同时或选择性检测这两种物质的多功能荧光传感平台具有重要意义。

本文提出了一种基于N,S共掺杂碳量子点（N,S-CDs）的多荧光传感平台，利用Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原循环来检测NO₂^-和H₂S。该传感平台利用Fe³⁺介导的N,S-CDs荧光淬灭效应以及Fe²⁺与NO₂^-、Fe³⁺与H₂S之间的氧化还原反应，实现了快速且高灵敏度的检测，还可应用于细胞成像（图1）。与直接响应检测系统相比，这种基于氧化还原反应的检测系统可以在一定程度上避免潜在的背景干扰和假阳性信号。带正电的Fe³⁺通过静电作用结合到阴离子N,S-CDs表面，导致荧光淬灭，这种淬灭既包括静态淬灭也包括内滤效应（IFE）。Fe²⁺在NO₂^-检测中起关键介质作用。引入的NO₂^-迅速将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，从而淬灭荧光。相反，Fe³⁺在H₂S检测中起介质作用。H₂S的引入使Fe³⁺还原为Fe²⁺，从而使荧光迅速恢复。该方法实现了NO₂^-在5分钟内（LOD = 0.164 μM）和H₂S在3分钟内（LOD = 0.114 μM）的快速检测。该方法在腌肉中NO₂^-、葡萄酒和自来水中H₂S的灵敏和选择性分析中得到了成功应用。N,S-CDs的理想生物相容性使其能够应用于活细胞中NO₂^-和H₂S的成像。此外，还通过将N,S-CDs固定在滤纸上制备了一种纸基传感器，利用其表面的丰富活性位点，提供了一种便携式方法来分析腌制品中的NO₂^-和变质食品中的H₂S。这种方法有助于开发用于食品安全监测和细胞成像的便携式、多功能分析工具。

试剂

NaOH、N-(1-萘基)乙二胺二盐酸盐、赖氨酸、同型半胱氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、L-半胱氨酸、戊二醛（25%）、磺胺、苯丙氨酸、细胞计数试剂盒-8、N,N-二甲基-1,4-苯二胺、NaClO溶液（0.1 M）、谷氨酸、H₂O₂和亚甲蓝三水合物购自MACKLIN（上海）。Aladdin Reagent Co., Ltd.提供了谷胱甘肽（GSH）、柠檬酸、Na₂S·9H₂O和FeSO₄·7H₂O。上海新华药业化学试剂有限公司提供了CuCl₂·2H₂O、KBr和NaNO₂。

N,S-CDs的特性分析

透射电子显微镜（TEM）分析（图1a）显示，N,S-CDs在水中的形态为球形，大小均匀，晶格参数为0.2 nm。通过对TEM图像中100多个N,S-CDs的测量，统计分析得出平均直径约为2.5 nm（图2b）。N,S-CDs的元素组成主要由C、O、N和S组成，这一点通过全谱X射线光电子能谱（XPS）得到了验证（图S1a）。高分辨率XPS分析提供了更详细的见解。

结论

本研究提出了一种基于N,S-CDs的荧光传感平台，通过Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原反应实现了NO₂^-和H₂S的检测。Fe³⁺通过静态淬灭和内滤效应的组合作用淬灭N,S-CDs的荧光。对于NO₂^-的检测，将NO₂^-加入N,S-CDs/Fe²⁺体系中会迅速将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，生成的Fe³⁺会淬灭N,S-CDs的荧光，从而实现NO₂^{-₂S的检测，}

CRediT作者贡献声明

钟亚萍：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、数据管理、概念构思。邵凯仪：撰写——初稿、验证、实验研究、数据管理。张瑞霞：验证。张林龙：数据可视化。王东：验证、项目管理、资金获取

未引用参考文献

Li等人，2025年；Wang等人，2025年；Wang等人，2024年；Zhong等人，2023年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢湖北省自然科学基金（2023AFB244）、湖北省教育厅的青年和中年人才项目（Q20221712）、武汉纺织大学的科技创新计划、国家重点研发计划（2022YFB3805803）、国家自然科学基金（U20A20257）以及泰山产业领军人才专项基金的支持。同时，我们也感谢分析测试方面的帮助。