高产率红色荧光碳点用于Fe3+的开启式检测及多色细胞成像

《Microchemical Journal》：High-yield red fluorescent carbon dots for turn-on detection of Fe3+ and multicolor cell imaging

新型红碳纳米点（R-CDs）通过水热法利用红霉素和L-异亮氨酸成功制备，产率达70%。R-CDs具有多官能团、高水溶性和低毒性，在Fe3+存在下因聚集诱导发光（AIE）机制显著增强荧光，检测限低至0.17?μM，线性范围2.1–37.5?μM，并成功应用于细胞多色成像和胞内Fe3+检测。

　　

文向平|董金龙|朱瑞涛|沈拉珍|范俊梅|高晓丽

太原师范学院化学与材料学院，中国晋中030619

摘要

我们成功制备了一种新型红色碳纳米点（R-CDs），并将其作为一种创新的荧光“开启型”探针，用于灵敏检测Fe³⁺离子。通过使用红霉素和L-异亮氨酸作为前体材料，通过水热法制备出了产率为70%的R-CDs。这些R-CDs具有丰富的官能团、优异的水溶性、较低的细胞毒性、显著的荧光稳定性和良好的生物相容性。值得注意的是，当加入Fe³⁺后，R-CDs的荧光强度显著增强，这归因于聚集诱导发射（AIE）效应。R-CDs对Fe³⁺的检测线性范围为2.1–37.5 μM，检测限为0.17 ± 0.02 μM。该方法已有效应用于实际样品的分析。此外，R-CDs还展示了在多色细胞成像和检测细胞内Fe³⁺方面的潜力。这些发现表明，R-CDs在传感和生物医学领域具有广泛的应用前景。

引言

铁（Fe）是一种重要的微量元素，人体内含量约为4至5克，主要以Fe³⁺的形式参与各种生命维持活动[1]。铁的主要功能是参与血红蛋白的合成并促进造血作用，血红蛋白中铁的含量约占72%[2],[3]。研究发现，体内铁含量不足或过多都会导致严重疾病：过量摄入会破坏身体的氧化和抗氧化系统，损伤DNA，诱发突变并增加患癌症的风险[4]；而摄入不足则可能导致贫血、免疫力下降和发育障碍[5]。此外，Fe³⁺是水污染的主要因素之一。国家饮用水质量标准规定铁浓度应低于0.3 mg/L。因此，检测外部环境和生物体内的Fe³⁺对人类健康具有重要意义[6]。

荧光传感器因其操作简便、响应迅速、选择性高、灵敏度强以及空间分辨率优越而受到广泛关注[7],[8],[9]。通过荧光成像技术，可以直观地检测和可视化细胞及生物系统中的金属离子。目前常用的荧光传感器包括荧光金属纳米簇、有机染料和半导体量子点等[10],[11],[12],[13]。然而，这些传感器在实际应用中常面临光稳定性差、设备复杂、处理技术要求高以及细胞毒性等问题。

碳点（CDs）作为一种新型碳发光纳米材料，自2004年问世以来，在多个领域展现了广泛的应用潜力和研究价值[14]。CDs是直径小于10纳米的零维纳米颗粒，具有合成简单、光学灵敏度和稳定性高、毒性低以及生理清除率高的优点[15],[16],[17]。与传统量子点和有机染料相比，CDs克服了水溶性差、制备过程复杂、光稳定性低和毒性高的缺点。近年来，CDs作为荧光传感器和生物成像标记物在金属离子定量检测中得到了广泛应用，尤其在不同类型细胞的生物成像中表现出巨大潜力[18],[19],[20]。然而，目前CDs作为荧光探针的应用主要基于淬灭原理。与“关闭型”传感器相比，“开启型”传感器具有更高的检测效率，因为它们能够在弱光环境中更容易检测到持续的亮信号，而无需辨别已存在的弱信号[21],[22],[23]。因此，开发具有“开启型”传感机制的多功能纳米探针具有根本性的意义。

聚集诱导发射（AIE）作为一种独特的发光机制，自Tang团队首次提出以来受到了广泛关注[24]。Tang及其同事发现，许多发光物质在聚集状态下会发出荧光，而在溶液中则不发光。这种现象的发生是因为在聚集状态下分子内旋转受到限制，从而阻碍了非辐射衰减途径并促进了辐射衰减[25]。目前关于CDs的AIE研究较少，且大多数CDs仅发出短波长光，限制了其在生物学中的应用[26]。尽管一些研究人员制备出了红色CDs，但传统方法复杂，步骤繁多，后处理步骤繁琐[27],[28]。因此，亟需一种简单高效的方法来制备具有长波长AIE特性的CDs。

为此，我们开发了一种基于AIE原理的“开启型”荧光传感器，用于选择性检测Fe³⁺（方案1）。通过使用L-异亮氨酸和红霉素作为原料，通过水热法制备出了高产率（70%）的红色荧光CDs（R-CDs）。令人兴奋的是，Fe³⁺可以通过诱导CDs聚集来增强其荧光，从而建立了一种新的灵敏检测Fe³⁺的方法。鉴于R-CDs良好的生物相容性和低毒性，这些纳米材料已被用于多色细胞成像和细胞内检测，展示了其在生物医学研究中的巨大潜力。

材料

L-异亮氨酸（C₆H₁₃NO₂）和红霉素（C₃₇H₆₇NO₁₃）（邓峰提供）；罗丹明B（Aladdin公司）；高糖培养基（DMEM）（上海贝诺生物技术有限公司）；胎牛血清（FBS）（四子King公司）；噻唑蓝（MTT）、绿色链霉素混合物、胰蛋白酶-EDTA消化液、甲醛（PFA）（北京索莱宝科技有限公司）。各种金属阳离子（来自无机盐）的0.1 M溶液由相应的氯化物制备（天津第三化学试剂厂）。蒸馏水，二次蒸馏

R-CDs的制备与性能表征

红霉素是一种广泛可用且价格低廉的大环内酯类抗生素，其分子结构包含丰富的碳链，使其非常适合作为碳源。与某些有毒的碳源相比，用红霉素制备的CDs毒性更低，产生的副产物也更少，这不仅符合绿色化学的理念，也扩展了其应用范围。本文中，我们通过水热法成功制备了R-CDs

结论

本研究通过水热处理红霉素和L-异亮氨酸制备了红色荧光CDs，解决了以往CDs系统常见的长波长发光问题。所制备的R-CDs产率高、细胞毒性低、光致发光性能优异且细胞通透性良好。在相同条件下加入金属离子后，只有Fe³⁺能够增强R-CDs的荧光，说明R-CDs对Fe³⁺具有良好的选择性。

作者贡献声明

文向平：撰写 – 审稿与编辑，撰写初稿，数据分析，概念构思。董金龙：软件支持，资源获取。朱瑞涛：实验指导，软件支持，资源提供。沈拉珍：结果验证，方法设计，实验实施。范俊梅：方法设计，实验实施，资金申请。高晓丽：实验指导，方法设计，实验实施。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（项目编号：22302144）和山西省基础研究计划项目（项目编号：202403021211191）的财政支持。