碳基纳米材料的发现和发展从根本上改变了现代材料科学，为电子、能源和生物医学等多个领域提供了前所未有的机会[1]，[2]。在这一动态领域中，碳点（CDs）作为一种特别有吸引力的零维纳米颗粒类别出现，它们独特的性质组合桥接了分子荧光团和无机量子点之间的差距[3]，[4]。这些准球形纳米结构通常小于10纳米，具有以碳为中心的核心，周围环绕着富含氧和氮基团的官能壳层[5]。它们的吸引力是多方面的：它们表现出可调的光致发光，与传统有机染料相比具有出色的光稳定性，并且具有生物相容性，通常是无毒的，避免了与许多半导体量子点相关的大量金属问题[6]。此外，它们的合成方法非常容易获得，经常使用简单的一锅水热或溶胶热方法，可以利用从定义明确的化学试剂到可持续生物质的广泛有机前体[7]。这种有利的光学特性、良性本质和合成多样性使CDs成为生物成像、光催化、纳米医学以及特别是化学传感研究的前沿[8]。对于传感应用，CDs作为高响应的换能器；它们强烈的荧光可以通过与特定目标分析物的相互作用而被调制、猝灭或增强，从而能够以灵敏度和选择性检测金属离子、小分子和生物大分子[9]。
CDs的光学和电子性质并不是纯碳框架固有的，但可以通过异原子掺杂来精确工程化，这种策略涉及将氮（N）、硫（S）或磷（P）等外来原子有意掺入碳基质中[10]，[12]。掺杂引入了新的电子能级和活性表面位点，显著改变了纳米颗粒的光物理行为和化学反应性[13]。氮掺杂被广泛用于提高光致发光的量子产率并改善水溶性。最近[14]，两种或更多种异原子的共掺杂（如氮和磷（N,P）由于可能产生的协同效应而引起了极大的兴趣[15]。N和P原子的同时存在可以创建更复杂的电子结构，增强电荷转移，并引入对目标物种高度有效的特定表面官能团[16]。这些修改不仅可以提高CDs的亮度，还可以解锁更高级的光学现象，如室温磷光（RTP），即在激发光关闭后仍然持续的长时间余辉。在单一纳米材料中实现这种双发射行为（荧光和磷光）是非常理想的，因为它为多通道传感、防伪和时间门控成像等复杂应用打开了大门，在这些应用中，长时间存在的磷光信号可以与短寿命的背景噪声区分开来[17]，[18]。
这种先进纳米材料最紧迫的应用之一在于环境监测，特别是持久性药物污染物的检测[10]，[19]，[20]。由于抗生素在人类和兽医医学中的广泛使用，它们在水生生态系统中越来越普遍，通过废水排放和农业径流进入水源。即使在微量浓度下，它们的存在也导致了抗生素抗性细菌的惊人增长[21]，这是一个重大的全球健康威胁[22]。SMX是一种常见的广谱磺胺类抗生素，是环境中经常检测到的顽固污染物的一个典型例子[23]，[24]。虽然传统的分析方法如液相色谱-质谱法很准确，但它们通常需要复杂的仪器，耗时，并不适合快速、现场筛查[25]。这一差距突显了迫切需要灵敏、选择性、快速且成本效益高的替代传感平台。荧光CDs提供了一个理想的解决方案，然而，在复杂的水环境中为特定抗生素（如SMX）设计基于CD的传感器仍然是一个重大挑战[26]，[27]。传感器必须表现出出色的选择性，以区分SMX和其他药物和有机干扰物，在不同的环境条件（pH值、离子强度）下具有稳健的稳定性，并且具有明确的相互作用机制，以确保可靠的性能[28]，[29]。
最近的研究还强调了在真实基质中验证传感平台的重要性，以证明其实际应用性。除了环境水系统外，牛奶等食品基质也很重要，因为可能存在来自兽医使用的磺胺残留物。然而，牛奶复杂的组成，包括蛋白质、脂质和碳水化合物，可能会干扰光学传感信号，这给分析带来了额外的挑战。因此，使用简单的样品制备方法在这些复杂基质中准确检测SMX对于确认新开发的基于CD的传感器的稳健性和实际应用性至关重要。
为了解决这些挑战，本研究提出了新型N,P共掺杂CDs的合理设计、全面表征和应用研究，这些CDs是为SMX的双通道检测而合成的。我们选择了PEHA（一种高度分支的多胺）作为碳和氮的丰富来源，并使用磷酸作为磷掺杂剂，通过直接的水热法将它们结合在一起[30]，[31]。这种前体组合被战略性地选择，以创建具有强荧光、固有的室温磷光和特定分子识别结合位点的CDs。我们的研究通过系统的调查进行：首先优化了合成条件以最大化光致发光，然后进行了彻底的物理化学表征，以确认纳米级形态、成功的共掺杂和所得N,P-CDs的表面功能化。我们严格评估了它们在各种环境应力下的双重发射稳定性，包括极端pH值、高离子强度和各种有机溶剂。在对一系列竞争药物和生物分子进行详细的选择性筛选后，我们确定SMX是荧光和磷光的强猝灭剂。然后优化了传感协议，确定了理想的CD配方和测定条件。最后，我们使用了一系列光谱和分析技术来阐明猝灭机制，提出了一个涉及内部过滤效应、通过基态复合物形成的静态猝灭以及有效的电子/能量转移过程的模型。
所提出策略的示意图如图1所示。如图1A所示，通过PEHA和磷酸的水热反应合成了双模式N,P-CDs，生成的纳米颗粒在紫外光照射下表现出蓝色荧光以及可见的绿色磷光余辉。图1B展示了传感机制，其中N,P-CDs与SMX之间的选择性相互作用导致荧光和磷光信号的同时猝灭。这种猝灭归因于分子间的相互作用，可能涉及CDs表面官能团与SMX分子之间的氢键和π–π堆叠。总体而言，示意图突出了双模式传感平台，并展示了工程化CDs作为选择性光学检测抗生素污染物的可调纳米材料的潜力。
