聚集作用导致双发射氮掺杂碳点的淬灭，从而实现对农药残留的可视化定量和比率检测

《Food Chemistry》：Aggregation caused quenching of dual-emission nitrogen-doped carbon dots for visual quantitative and ratiometric detection of pesticide residues

氮掺杂碳点（N-CDs）比率荧光传感器用于 glyphosate 快速检测，检测限24 nM，线性范围0.024–30 μM，并开发智能手机联用侧流试纸法可视化平台。

　　

罗新宇|林德进|王静琪|张一浩|刘新茹|高思能|陈大

宁波大学物理科学与技术学院微电子科学与工程系，中国宁波315211

摘要

高效且现场检测农药草甘膦（GLY）残留物具有特殊的重要性和挑战性。本文成功开发了一种基于双发射氮掺杂碳点（N-CDs）的比率荧光传感器，这些碳点由三羟甲基氨基甲烷和间苯二酚合成。加入草甘膦后，N-CDs在425 nm处的荧光强度会因聚集引起的淬灭和光诱导电子转移而迅速减弱，从而导致N-CDs与草甘膦的络合。而N-CDs在525 nm处的荧光强度变化很小，可作为参考信号。这种独特的比率荧光传感器实现了低至24 nM的检测限和80 nM的定量限，并具有0.024–30 μM的宽线性范围。此外，还建立了一个集成智能手机的侧向流动视觉传感平台，通过捕捉和识别颜色变化参数来检测草甘膦。该平台为食品和环境中的草甘膦残留物定量监测提供了潜力。

引言

农药在现代农业中发挥着关键作用，可以控制害虫和杂草，提高农业产量（Shen等人，2022年）。自1974年以来，草甘膦（GLY）作为一种具有水溶性、高效率和广谱效力的除草剂被广泛用于农业（Duke，2018年）。抗草甘膦的作物占所有改良植物的近80%，全球年使用量达到825,800吨（Nova等人，2020年）。由于长期滥用和过量施用，草甘膦残留物在生态系统中持续存在，并在人体组织中积累，对生态系统和人类健康构成严重威胁（Lesseur等人，2021年）。国际癌症研究机构（IARC）已将草甘膦列为可能对人类致癌的物质（Jiménez-López等人，2020年）。因此，世界卫生组织将饮用水中草甘膦的最大允许浓度定为5.325 μM（Yuan等人，2022年）。因此，对草甘膦进行敏感和快速的检测方法对于评估食品安全、环境污染和人类健康至关重要。

草甘膦的定量分析因其离子性质、低分子量、高极性以及易溶于水而变得非常复杂。迄今为止，气相色谱-质谱法（Belarbi等人，2021年）、表面增强拉曼散射（Wang、Sun等人，2021年）、液相色谱-质谱法（Almutairi等人，2021年）、酶联免疫吸附测定法（M?rtl等人，2013年）和电化学方法（Sok & Fragoso，2019年）已被广泛用于草甘膦的检测，具有满意的精度、可靠的准确性和高灵敏度。然而，这些方法的高成本、长耗时以及需要专业技能的限制，使其在实际应用或紧急情况下难以实施。最近，人们对荧光技术，特别是基于碳点（CDs）的荧光传感器给予了越来越多的关注。碳点作为一种碳纳米材料，由于其可调的发光特性、易于制备的过程、出色的生物相容性和成本效益，在多个领域得到了广泛研究（Cao等人，2022年）。迄今为止，已经投入了大量努力来构建基于碳点的荧光传感器以灵敏地检测草甘膦。例如，Li等人使用单发射氮掺杂碳点和Cu²⁺来检测草甘膦，通过Cu²⁺与草甘膦和氮掺杂碳点之间的竞争结合实现检测（Li等人，2023年）。Liang等人构建了一种基于Fe³⁺淬灭的荧光纳米探针，其中草甘膦通过与草甘膦分子中的功能基团竞争性结合而恢复荧光（Liang等人，2024年）。Wu等人设计了一种基于1,4-二羟基蒽醌和Cu²⁺的荧光传感器来监测草甘膦，其中Cu²⁺作为动态淬灭剂，草甘膦则用于恢复荧光（Wu等人，2022年）。然而，大多数基于碳点的草甘膦检测方法都是通过金属离子与草甘膦之间的竞争性结合来实现的。这种对预先添加的金属离子的依赖不仅使过程复杂化，还可能引入干扰并影响准确性（Hou等人，2020年）。此外，现有的基于碳点的方法通常使用单一的荧光发射信号，容易受到仪器波动、背景噪声和传感器浓度变化的影响。相比之下，具有双发射波长的碳点引入了内在的参考信号，消除了发射强度的波动，提高了检测的灵敏度（Dong等人，2022年）。为了克服这些限制，开发基于比率荧光传感器的无金属草甘膦检测策略是非常必要的。

此外，随着对操作简便性和实时快速检测需求的增加，侧向流动免疫测定（LFIA）方法引起了越来越多的关注，在这种方法中，测试线和控制线可以可靠地防止假阳性结果的发生（Mirica等人，2022年）。然而，据我们所知，只有少数基于LFIA的设备被开发用于草甘膦检测。更重要的是，将智能手机图像处理能力与LFIA集成可以实现自动信号提取，推进草甘膦监测在实际应用中的发展（Ehtesabi等人，2021年）。因此，基于双模发射碳点的智能手机辅助LFIA传感平台的构建对于草甘膦的检测具有重要意义。

基于上述内容，我们假设可以使用双发射碳点构建一种无金属的比率荧光传感器来检测草甘膦，其中草甘膦可以通过特定相互作用选择性地淬灭发射强度，从而产生比率信号变化。为了验证这一假设，在本工作中，我们使用三羟甲基氨基甲烷（Tris）和间苯二酚的一锅法水热法简单制备了双发射氮掺杂碳点（N-CDs）（方案1）。具体来说，N-CDs表现出蓝光和绿光荧光，发射波长分别为425 nm和525 nm。当草甘膦加入N-CDs溶液时，草甘膦会迅速与N-CDs上的吡咯环N-H键反应形成复合物，导致N-CDs在425 nm处的蓝光发射通过聚集引起的淬灭（ACQ）和光诱导电子转移（PET）而减弱，而N-CDs在525 nm处的绿光发射几乎没有变化。这样，基于N-CDs的比率传感器在草甘膦浓度为0.024至30 μM的范围内表现出出色的线性，检测限（LOD）为24 nM，定量限（LOQ）为80 nM。此外，我们创新性地建立了一个基于N-CDs的智能手机集成侧向流动视觉传感平台，用于现场草甘膦监测，并已在实际样品分析中证明了其可行性。因此，这种开发的比率荧光平台不仅为碳点传感器的设计和合成提供了新的见解，而且在实际食品产品和生态系统中的农药分析中也展现了强大的潜力。

材料

三羟甲基氨基甲烷（Tris）、间苯二酚、草甘膦（GLY）、CdCl₂、AgCl、LiCl、BaCl₂、CoCl₂、FeCl₃、MgCl₂、NaF、ZnCl₂、KI、NiCl₂、FeCl₂、NaNO₃、NaHCO₃、Na₂CO₃、Na₂SO₄、Na₃PO₄、丙氨酸、天冬酰胺、半胱氨酸、谷胱甘肽、脯氨酸、乙酰甲酸、代森锰锌、二甲硫磷、马拉硫磷、对氧磷以及所有其他化学品均购自Aladdin（中国上海）。所有商业来源的试剂均为分析纯度，无需额外纯化即可直接使用。

N-CDs的表征

使用TEM对N-CDs的结构表征显示，它们分散良好且大小几乎均匀，平均直径为4.4 ± 0.2 nm（图1(a–b)）。根据图1(a)插图中的高分辨率TEM（HR-TEM）图像，0.23 nm的晶格间距归因于石墨碳的（100）晶面（Yang等人，2019年）。AFM图像显示N-CDs的拓扑高度约为0.86 nm（图1(c)），这证实了N-CDs的性质。

结论

总之，我们提出了一种基于双发射N-CDs的自校准比率荧光传感器，用于实时样品中草甘膦的高灵敏度检测。成功由Tris和间苯二酚合成的N-CDs在425 nm和525 nm处表现出有趣的双发射行为。加入草甘膦后，N-CDs的蓝光荧光强度迅速下降，同时由于ACQ和PET作用，N-CDs与草甘膦之间生成复合物；而N-CDs的固有绿光发射强度基本保持不变。

CRediT作者贡献声明

罗新宇：撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究、正式分析、概念化。 林德进：软件、研究、正式分析。 王静琪：可视化、验证、数据管理。 张一浩：可视化、软件、正式分析。 刘新茹：监督、研究、正式分析。 高思能：验证、软件、研究。 陈大：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法学、资金支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了宁波大学K. C. Wong Magna基金的资助。