便携式Arduino平台——集成RGB传感和光谱测量功能，用于利用Fe,N共掺杂碳点纳米酶测定葡萄糖浓度：一项比较分析评估

《Microchemical Journal》：Portable Arduino- integrated RGB sensing and spectrophotometric platforms for glucose determination using Fe,N-co-doped carbon dot nanozyme: A comparative analytical evaluation

　　奥拉·G·侯赛因（Ola G. Hussein）|易卜拉欣·A·纳吉布（Ibrahim A. Naguib）|萨贾·A·阿尔索巴伊蒂（Saja A. Althobaiti）|穆罕默德·艾哈迈德·埃尔赛义德（Mohamed Ahmed Elsayed）|穆罕默德·加马尔（Mohammed Gamal）
埃及开罗未来大学药学院药物化学系，邮编11835

**摘要**
开发便携且可靠的分析平台对于推进即时诊断和分散式医疗监测至关重要。在本研究中，通过使用柠檬酸、尿素和氯化铁作为前驱体，采用一种简单的一步热解方法合成了铁和氮共掺杂的碳点（Fe,N-CDs）。系统地表征了这些纳米酶的结构和物理化学性质，证实了其成功形成、均匀的形态以及有效的杂原子掺入。Fe,N-CDs表现出类似过氧化物酶的活性，在过氧化氢存在下能够高效催化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）的氧化，生成明显的蓝色产物。基于这种催化行为，开发了一种基于比色法的过氧化氢检测策略，并进一步扩展为通过葡萄糖氧化酶（GOx）介导的酶级联反应进行葡萄糖定量。该检测方法显示出从10到700 μM的宽线性响应范围，检测限低至7.53 μM，表明具有良好的分析灵敏度。为了评估实际应用性，使用传统的UV-Vis光谱法以及包括基于智能手机的图像分析和集成有Arduino的RGB传感设备在内的便携式检测方法对传感性能进行了系统比较。所有三种检测平台均表现出强烈的线性相关性，并且对葡萄糖具有高灵敏度和选择性。便携式系统能够实现快速且经济高效的检测，同时保持与标准光谱法相当的准确性。

**引言**
近年来，具有天然酶类似活性的纳米酶作为一种创新替代品应运而生。它们在极端pH值、温度和储存条件下的优异稳定性使其区别于通常脆弱且成本较高的传统酶[1]。纳米酶结合了酶反应的精确性与纳米材料的稳健性和可调性，为催化、生物传感和环境应用开辟了新的途径[2][3][4][5][6]。纳米酶工程的最新进展，包括D带中心工程化的铂基纳米酶[7]和定制的金属有机框架（MOF）基系统[8]，显著提高了催化效率和可调活性，进一步扩展了它们的实际应用范围。在本研究中，我们利用铁和氮共掺杂的碳点（Fe,N-CDs）的过氧化物酶样活性，开发了一种可靠且高效的葡萄糖检测系统，突显了纳米酶作为多功能催化平台的潜力。虽然天然酶经过数百万年的进化，能够执行高度特异性的生化转化，但其实际应用常常受到温度、pH值和化学变性剂的影响[3][4]。人工纳米酶通过提供长期稳定性、可调活性和多功能催化能力，解决了这些挑战[5][6]。本研究中合成的Fe,N-CDs通过金属和杂原子掺杂模拟了天然过氧化物酶，同时增强了反应动力学和操作稳健性。这种人工系统弥合了实验室级酶性能与实际应用之间的差距，使其适用于分散式监测。

**最近关于单原子纳米酶基生物传感平台的研究**
最近的研究在提高分析性能和便携性方面取得了显著进展。例如，具有不对称配位的Fe-N3S单原子纳米酶[9]已被用于超低背景比色免疫测定，主要目标是提高灵敏度并最小化免疫测定检测系统中的背景干扰。此外，结合双模式电化学和光热读出的双金属单原子纳米酶平台与智能手机辅助成像相结合，实现了便携式和多功能生物传感[10]。除此之外，集成有智能手机的生物传感系统因其低成本、实时性和现场定量分析的潜力而受到广泛关注。例如，基于智能手机的平台结合纳米酶的比色测定与传统的光谱测量结果高度一致，证实了其在便携式环境中的分析可靠性。最近的研究如基于PtNiFe纳米酶的智能手机设备用于现场检测全氟化合物[11]以及人工智能辅助的普鲁士蓝纳米酶免疫测定，进一步凸显了智能手机在定量生物传感中的重要作用[12]。然而，这些系统通常仅限于特定的免疫测定应用，或依赖于更复杂的多信号转导机制。相比之下，本研究专注于使用Fe,N-CD纳米酶直接检测葡萄糖和过氧化氢，将其集成到多种互补且低成本的光学平台中，提供了一个简单且高度可适应的分散式生化分析框架。

**UV-Vis光谱法**
UV-Vis光谱法长期以来一直被视为定量生化分析的黄金标准技术，具有高灵敏度、优异的可重复性和实时监测反应的能力[13]。在本研究中，利用光谱测量作为基准，评估了Fe,N-CDs的过氧化物酶样活性，并构建了可靠的葡萄糖检测校准曲线。尽管这种传统方法提供了精确可靠的结果，但它受到笨重仪器、受控实验室条件和需要专业人员的限制，这限制了其在分散式或即时诊断应用中的实用性[14][15][16]。为了克服这些限制，我们探索了创新的便携式检测策略，这些策略在保持分析严谨性的同时提高了可访问性。高分辨率智能手机摄像头结合复杂的图像处理算法用于捕捉Fe,N-CD催化TMB氧化产生的比色变化，将视觉信号转换为定量RGB数据[17]。这种基于智能手机的系统实现了快速、用户友好且低成本的测量，与光谱数据高度相关，证实了其作为便携式替代方案的可靠性。然而，需要注意的是，基于智能手机的检测可能会受到环境光照条件、摄像头差异和图像采集设置等因素的影响，从而影响可重复性，除非进行适当的校准。

**互补方法**
为了补充这种方法，我们开发了一个集成有RGB和光电二极管传感器的Arduino平台，能够实时检测由葡萄糖氧化酶反应产生的过氧化氢[18][19][20]。Arduino系统提供了即时、可编程的反馈，并支持自动化、定制和潜在的云集成，展示了适用于现场生化分析的可扩展解决方案。通过将传统的UV-Vis光谱法与这些先进的便携设备相结合，我们的工作展示了一个全面的评估框架，验证了Fe,N-CDs作为多种平台上有效纳米酶催化剂的潜力。这种集成突显了Fe,N-CD基系统在资源有限的环境中快速、便捷且经济高效的葡萄糖监测的实用潜力。

**材料与化学试剂**
本研究中使用的所有试剂均为分析级，无需进一步纯化。三氯化铁（FeCl3）、柠檬酸和尿素被用作合成铁和氮共掺杂碳点（Fe,N-CDs）的前驱体。其他化学品包括3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、过氧化氢（H2O2）和葡萄糖氧化酶（GOx）均从Sigma-Aldrich（德国）购买，并按原样使用。所有实验均使用去离子水。

**结果与讨论**
开发的基于Fe,N-CD的传感系统主要通过不同检测平台的比较分析进行了评估，突显了其多功能性和实际应用性。纳米酶催化TMB氧化产生的比色响应通过传统的UV-Vis光谱法以及包括基于智能手机的图像分析和集成有Arduino的RGB传感器在内的便携式方法进行了持续监测。所有平台均表现出强烈的线性关系。

**结论**
本研究全面探讨了Fe,N共掺杂碳点（Fe,N-CDs）纳米酶的开发和比较评估，用于在多种平台上检测过氧化氢和葡萄糖，包括传统的光谱方法、基于智能手机的分析和便携式的基于Arduino的系统。基于纳米酶的传感器在受控实验室条件和实际环境中均表现出优异的催化活性、高灵敏度和可靠的可重复性。

**作者贡献声明**
奥拉·G·侯赛因（Ola G. Hussein）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法学、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
易卜拉欣·A·纳吉布（Ibrahim A. Naguib）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法学、研究、资金获取、正式分析、数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
作者感谢泰夫大学研究生院和科学研究部对本研究的资助。