N掺杂红色发光碳纳米点在通过发射位移实现传感及生物医学应用中的应用

《Talanta》：N-doped Red Emissive Carbon Nanodots for Emission Shift Mediated Sensing and Biomedical Applications

　　

V. Nidhisha | Ritu Gopal | K. Anuja | Sneha Joseph | B.P. Anusha | N.K. Renuka

印度喀拉拉邦卡利卡特大学化学系材料工程实验室，673 635

摘要

荧光是碳纳米点（CNDs）最引人注目的特性之一，在传感和生物医学应用中引起了极大的兴趣。特别是，红色区域的发光特性在这些颗粒的生物医学应用中非常受欢迎。本文讨论了红色发光的氮掺杂碳纳米点（PD-CNDs）在传感和生物医学中的应用。系统能够通过可见光颜色的明显变化（从强烈的橙红色变为青色）来轻松检测硫化物离子。检出限（LOD）为0.709 μM，远低于世界卫生组织（WHO）规定的饮用水中分析物的允许限值。使用PD-CNDs时，硫化物离子的肉眼检测和固态传感的检出限分别为14.08 μM和39 nmol。该系统的溶致变色性质还能用于检测丙酮中的水分含量，丙酮是制药、化妆品、化学合成和工业制造等多个领域中常用的有机溶剂。丙酮中水含量的增加会导致荧光红移（从黄色变为橙红色）以及荧光强度的减弱。线性的发射峰位移（R2 = 0.977）使得丙酮中水分含量的定量测定误差小于1%。此外，PD-CNDs还可以对颊细胞进行清晰的多色荧光成像，其信号强烈且局限于细胞内部，证明了它们作为可靠成像探针的有效性。针对MDCK细胞进行的细胞毒性研究表明，即使在100 μg/mL的浓度下，细胞存活率仍高达85–95%，进一步证实了该系统的优异生物相容性。值得注意的是，这种溶剂依赖的发光特性也允许使用有机固定剂，从而保证了成像性能的一致性。

引言

荧光材料因其成像和光学传感作用而受到了广泛的研究关注。传统的块状荧光材料，如有机染料、无机荧光体、掺杂稀土的化合物和半导体晶体，虽然具有强烈的发射光谱，但具有固定的发射特性、较大的颗粒尺寸和较低的灵敏度。尤其是染料容易发生光漂白，并且水稳定性较差。20世纪80年代初，随着量子点的发现，荧光纳米粒子的研究开始蓬勃发展[1]，这些量子点的特性是发射光谱随颗粒大小变化。合成技术的进步提高了它们的量子产率和水溶性，推动了它们在生物成像、诊断和传感领域的广泛应用。徐等人通过引入碳纳米点（CNDs），为这一领域开辟了新的方向。由于CNDs具有出色的特性，它们在许多其他领域也得到了广泛应用[2],[3]，并且作为重金属量子点的安全、低毒替代品而备受青睐。本文探讨了基于荧光的红色发光氮掺杂碳纳米点（PD-CNDs）在传感和生物医学领域的应用。

CNDs被广泛用于高效检测金属离子[5],[6]、阴离子[7]、生物分子[8]和气体[9]。在这里，系统实现了对硫化物离子的选择性和灵敏检测。阴离子在各种生物过程和化学反应中起着关键作用，包括盐的形成、体液的调节以及酸碱平衡的维持。硫化物离子的检测对于环境监测尤为重要，因为过量的硫化物会破坏生态系统并产生难闻的气味。在工业废水管理和安全方面也是如此，因为硫化物会腐蚀设备并释放有毒的H?S气体，可能导致皮肤、眼睛和呼吸道的严重刺激甚至灼伤。过量暴露还可能致命。硫化物水平的失衡与神经系统疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病）、心血管问题（包括高血压和动脉粥样硬化）、糖尿病、炎症和癌症有关。可靠的硫化物检测对于早期诊断和疾病进展监测至关重要。此前已有研究使用碳纳米点来检测硫化物离子。基于荧光的“开-关”传感技术已经有很多报道[10],[11],[12]，这些技术通常依赖于荧光的减弱或增强。然而，CNDs引起硫化物介导的荧光波长变化的情况相对较少。Zhuoqi等人[13]报道了一种Cu纳米簇-CND复合荧光探针，可用于硫化物离子的检测，其颜色从红色变为蓝色。Nejad等人[14]开发了一种Au纳米簇-CND复合体，在添加硫化物后颜色从粉红色变为蓝色。在这里，PD-CNDs对一组阴离子中的硫化物离子表现出选择性响应。溶液在可见光/紫外辐射下的颜色发生显著变化，使得硫化物离子的检测变得容易。加入硫化物离子后，PD-CNDs的发射颜色从橙红色变为蓝绿色，无需复杂的仪器即可实现直接视觉检测。这种颜色变化在0.709 μM的低浓度下即可观察到。除了溶液相检测外，PD-CNDs还可以使用固体试纸条实现硫化物离子的肉眼检测。此外，该系统的溶致变色性质还可以用于检测丙酮中的水分含量，丙酮是一种在制药、化妆品和化学合成等多个领域广泛使用的有机溶剂，因为它具有良好的溶解性、低毒性和快速蒸发性。监测丙酮中的水分含量非常重要，因为即使是微量的水分也会影响反应和产品质量。该系统的误差范围小于1%，显示出在所讨论的应用中具有可靠的性能。

CNDs因其优异的生物相容性、水溶性、易于表面修饰以及可扩展和经济的生产方式而在生物应用中受到认可[3],[15]。最近的进展强调了CNDs在生物医学应用中的广泛使用，尤其是在细胞成像[16],[17],[18]方面。虽然常见的荧光素[19]和丙啶碘化物[20]等染料在成像中应用广泛，但它们存在毒性和光漂白等问题。CNDs具有稳定且高度可调的荧光特性，非常适合可持续的细胞成像应用。保持细胞形态、结构完整性和分子组成的细胞固定是显微镜检查和成像的重要环节。常用的化学固定剂包括冷丙酮、乙醇和甲醇，它们通过使蛋白质变性并使细胞脱水来起固定作用[21]。基于有机溶剂的固定剂会改变围绕染料分子的介质的极性和pH值，从而影响其荧光特性，常常会破坏或减弱信号[22]。本文介绍的溶致变色碳点具有根据周围溶剂环境调整其发射特性的独特优势，同时保持荧光强度。这一特性确保了成像结果的一致性，使它们非常适合可靠的、多功能的细胞成像应用。此外，它们在红色区域的发光特性还增强了系统的应用价值，因为它们可以穿透更深的组织，同时减少自体荧光和对健康细胞的损伤。

简而言之，PD-CNDs作为一种双模传感器，能够在溶液相和固相中选择性地进行硫化物离子的视觉和荧光检测，并在有机溶剂中进行准确的水分监测。它们独特的发光颜色变化、低检测限和可靠的性能使其非常适合快速、现场检测环境和工业中有意义的分析物。此外，它们在红色区域的发光以及在高毒性固定剂中的稳定、可调荧光特性，凸显了它们在安全高效生物成像方面的巨大潜力。

节片段

材料

对苯二胺（p-Phenylenediamine）购自印度TCI Chemicals (India) Pvt. Ltd.，丙酮购自印度SISCO Research Laboratories Pvt. Ltd.。氢氧化钠颗粒和盐酸购自印度Merck Ltd。氯化钠、硫化钠、乙酸钠、氟化钾、亚硫酸钠、高锰酸钠、碳酸氢钠、硫酸钾、亚硝酸钠、铬酸钾和硝酸钾购自Qualigens Pvt. Ltd。所有化学品...

PD-CNDs的结构和光学特性

PD-CNDs的TEM图像（图1a和1c）显示了尺寸小于10 nm的准球形纳米粒子。单个纳米粒子的TEM图像显示出清晰的晶格条纹，晶格间距为0.19 nm（图1b），与CNDs的层间距（0.18–0.24 nm）一致[23]。为了定量评估粒径分布，使用ImageJ软件分析了TEM图像中的多个粒子。所得直方图（图1d）显示大多数粒子的尺寸在...

结论

本研究证明了基于对苯二胺的碳纳米点（PD-CNDs）是一种多功能红色发光荧光平台，可用于传感、水分分析和生物成像。它们的光致发光特性使得在溶液相中能够高选择性检测硫化物离子，检出限为0.709 μM，远低于WHO规定的饮用水中分析物的允许限值。该系统还支持肉眼下的溶液相检测（检出限14.08 μM）...

CRediT作者贡献声明

Nidhisha V.：撰写——原始草稿，研究。Ritu Gopal：撰写——原始草稿，研究。K. Anuja：研究。Sneha Joseph：研究。B.P. Anusha：研究。Renuka Neeroli Kizhakayil：撰写——原始草稿，监督，概念化。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢：

N.V. 感谢卡利卡特大学提供的研究奖学金。R.G. 感谢印度政府大学拨款委员会提供的高级研究奖学金。作者感谢CSIF（卡利卡特大学）提供的仪器设施。