一种具有高度抗干扰性的氮硫掺杂荧光碳点探针，源自肉骨粉，用于沼气浆液中铜离子（Cu2+）的检测

《Biomass and Bioenergy》：Highly interference-resistant nitrogen-sulfur-doped fluorescent carbon dot probe from meat and bone meal for biogas slurry Cu2+ detection

本研究利用肉骨粉和尿素-磺胺酸深熔盐溶剂合成氮硫共掺杂碳点（N-S-CDs），通过微波辅助合成，显著猝灭Cu2+荧光，检测限低至0.12 μM，并成功应用于生物气污泥中Cu2+的实际检测，同时实现养殖废物的资源化利用。

　　

谢明杰|詹敖|刘宗阳|米春英|姜若若|吕杰|余强

华南农业大学未来生物质学院，广州，510642，中国

摘要

沼气浆液中含有高浓度的重金属污染物，尤其是铜。直接将其用于农田灌溉可能会导致重金属在土壤中积累。由于浆液的成分不均匀，检测铜离子（Cu²⁺）变得复杂。在本研究中，使用肉骨粉（MBM）作为碳前体，并结合由尿素和磺胺酸组成的深共晶溶剂（DES），通过微波辅助法合成了氮硫掺杂的碳点（N-S-CDs）。当N-S-CDs与铜离子接触时，表现出显著的荧光猝灭现象，其线性检测范围为0-30.0 μM，检测限低至0.12 μM。实验证明N-S-CDs在检测实际沼气浆液中的铜离子方面具有高效性。此外，研究发现铜离子会特异性地结合到碳点表面的功能基团上，从而赋予其极高的选择性。总之，本研究提供了一种高灵敏度且抗干扰的铜离子检测方法。

引言

传统的重金属检测方法主要包括电感耦合等离子体质谱法、石墨炉原子吸收光谱法和电化学技术[1]。然而，这些方法通常受到高操作成本、复杂仪器以及需要专业操作人员的限制[2]。相比之下，荧光光谱法因其高灵敏度、易用性和低成本而成为首选方法[3]。碳点（CDs）是一种尺寸小于10 nm的新兴荧光纳米材料，由于其简单的合成工艺、低细胞毒性和良好的生物相容性，已被广泛应用于环境监测和生物传感等领域[4][5][6]。碳点的独特发光特性（源于量子限制效应和表面缺陷）可以通过荧光猝灭或增强来检测重金属。尽管已经有多种前体制备的碳点被用于检测常见的重金属（如Hg²⁺和Fe³⁺[7][8][9][10][11][12][13]，但针对铜离子的敏感检测研究相对较少。

在大规模畜禽养殖中，饲料中添加铜、锌等元素以促进动物生长并具有抗菌和抗炎作用[14]。然而，大多数这些重金属无法被畜禽消化或吸收，最终通过粪便和尿液排出体外。沼气浆液是厌氧消化后的液体残余物，被认为是一种高效的液体肥料。尽管经过厌氧发酵后，畜禽粪便中的铜和锌仍有残留[15]，但将其用于农田灌溉可能会导致土壤中重金属积累，并可能迁移到作物中[16,17]。重金属的积累对人类健康构成严重威胁，可能导致肝脏和肾脏损伤、皮肤疾病、认知障碍甚至癌症[18][19][20]。因此，监测用于农业的沼气浆液中的铜离子至关重要。然而，沼气浆液富含微生物、有机物、氨氮、磷和钾[21]，其复杂的成分给重金属检测带来了挑战。

Sun等人通过电化学方法合成了用于检测铜离子的铁氮掺杂蓝光碳点，检测范围为0.1–1 μM，检测限（LOD）为0.059 μM，但量子产率（QY）仅为7.5%[22]。类似地，Lou等人利用柠檬酸作为碳源、乙二胺作为氮掺杂剂，通过溶剂热法制备了蓝光发射碳点（B-CDs），发现B-CDs在接触铜离子时会出现荧光猝灭现象，检测范围为0.25–10.0 μM，检测限为0.18 μM。在自来水和湖水中，回收率介于93.9%至106.0%之间，相对标准偏差（RSD）为1.2–3.5%；然而量子产率仍较低，仅为10.28%[23]。这些研究揭示了量子产率低和检测范围有限的挑战。近年来，生物质作为碳点前体的重要性日益增加。生物质的丰富性以及其中存在的杂原子便于掺杂多种元素，从而提高了碳点的性能，同时解决了环境污染问题。Wang等人利用灵芝麸皮通过水热和化学氧化过程合成了蓝光荧光碳点（BCD）和绿光荧光碳点（GCD），其量子产率分别为4.6%和2.6%。在1–10 μmol L^?1的浓度范围内，BCD和GCD的荧光强度随铜离子浓度的增加而线性减弱，检测限分别为0.74 μmol L^?1和1.08 μmol L^?1[24]。Ba等人使用蛋清和L-半胱氨酸作为前体，通过一锅法制备了硫掺杂碳点，量子产率为8.17%，能够检测0-15.7 μM范围内的铜离子，检测限为3.3 ppb（52 nM）[25]。Wang等人利用雏菊叶作为碳源水热合成了氮掺杂碳量子点，在河水中检测范围为0.01–0.12 μM，检测限为0.001 μM，回收率为92.1%–103.8%[26]。这些研究表明碳点是有效的铜离子检测探针。尽管它们具有较高的灵敏度，但检测范围较窄且量子产率较低。此外，大多数探针尚未在真实样品中进行测试；仅有少数在自来水和湖水中进行了评估，表明需要提高抗干扰能力。因此，迫切需要一种具有更宽检测范围和更强抗干扰能力的荧光探针。

深共晶溶剂（DESs）作为可持续反应环境受到了广泛关注，它们能有效调节碳点的表面性质和荧光特性[27,28]。肉骨粉（MBM）是屠宰行业的副产品，由患病或死亡哺乳动物的尸体经过热处理后分离脂肪、干燥和研磨得到[29][30][31]。MBM中丰富的蛋白质是氮和硫的优良自掺杂源，可以引入用于特异性识别铜离子（Cu²⁺）的功能基团，从而导致荧光猝灭[32]。此外，富含钙的无机成分在微波辅助碳化过程中起到物理间隔作用，通过提供空间限制效应，有效抑制了碳中间体的过度聚集，促进了均匀尺寸的单分散超小碳点的形成[33]。本研究使用MBM作为原料制备了氮硫掺杂的碳点（N-S-CDs），通过研究反应时间、温度和深共晶溶剂对合成效果的影响，确定了从MBM合成N-S-CDs的最佳条件。同时，通过调整不同反应条件探讨了N-S-CDs对铜离子的选择性，并探讨了铜离子诱导的荧光猝灭机制。本研究不仅实现了沼气浆液中铜离子的高效检测，还促进了畜禽废弃物的回收利用。

实验材料

氯化胆碱、尿素、磺胺酸、谷胱甘肽、氢氧化钠、氯化钠和盐酸均为分析级试剂。肉骨粉来自Grandblue Environment有限公司，盐酸和氯化钠购自广东省广士试剂技术有限公司，其他试剂来自Macklin生化有限公司。沼气浆液来自江西省新丰县Wens食品集团有限公司经营的养猪场。

制备N-S-CDs的条件优化

以碳点的荧光猝灭程度作为评价指标，我们筛选了多种深共晶溶剂（DESs）并优化了制备条件，包括摩尔比、反应温度和时间。荧光猝灭程度反映了碳点对铜离子（Cu²⁺）的选择性，数值越低表示选择性越高。如图1a所示，我们评估了沼气浆液中主要金属离子（Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺、Cr²⁺、Pb²⁺）及其他离子（NH₄⁺、HPO₄^2?）对碳点的影响

结论

本研究成功使用肉骨粉作为原料，结合尿素和磺胺酸作为掺杂剂制备了氮硫掺杂的碳点（N-S-CDs）。所得N-S-CDs表现出优异的光学性能和高稳定性。离子选择性检测显示，铜离子（Cu²⁺）引起的荧光猝灭效应最为显著。随着铜离子浓度的增加，N-S-CDs的荧光猝灭程度呈强线性相关，其关系式为y = 1.26 + 0.71x。检测限（LOD）为

CRediT作者贡献声明

谢明杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学设计，实验研究，数据整理，概念构思。詹敖：撰写 – 初稿。刘宗阳：资源获取。米春英：实验研究。姜若若：结果验证。吕杰：撰写 – 审稿与编辑，资金筹措。余强：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，资金筹措，概念构思。

致谢

本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金（2023B1515020094）、国家自然科学基金（52276192）、广东省可再生能源重点实验室（E539kf0901）以及广东技术师范大学（2025SDKYA006）的支持。