研究速递：氮硫共掺杂碳点实现“开-关-开”型荧光传感，用于检测Fe³⁺和L-半胱氨酸

碳点（CDs）因其独特的光学性质、高灵敏度和优异的光稳定性，在传感领域备受关注。特别是氮硫共掺杂的碳点（N,S-CDs），由于其增强的电子结构和化学反应性，展现出在金属离子和生物分子检测中的巨大潜力。铁离子（Fe³⁺）在生物代谢中起着关键作用，但其浓度失衡可能导致多种健康问题。因此，开发一种高效、选择性的Fe³⁺荧光传感器具有重要意义。此外，L-半胱氨酸（CYS）作为一种含有巯基的氨基酸，在生物体系中也具有重要功能。

科研人员成功开发出一种新型氮硫共掺杂碳点（N,S-CDs）荧光传感器，相关研究成果发表于《Inorganic Chemistry Communications》期刊。本研究通过设计一种“开-关-开”型荧光传感器，该传感器可实现对Fe³⁺和CYS的高效检测，并在实际样品检测和结肠癌细胞成像中展现出良好应用前景。

研究结果

图 1 N,S-CDs的制备及其用于检测Fe³⁺和CYS的示意图

如图1，研究团队采用一步法水热合成技术，以利巴韦林和硫脲为前驱体，成功制备了氮硫共掺杂碳点（N,S-CDs）。

图 2 N,S-CDs荧光传感器的光学性质

图2展示了一步法水热合成技术所得N,S-CDs的光学性质，包括UV-vis 吸收光谱（a）、FL激发/发射最大峰（b）以及不同激发波长下的FL发射光谱（c），体现其电子结构、荧光特性及激发独立性。说明该方法简单高效，所得N,S-CDs具有出色的荧光性能，量子产率达23.7%，且荧光性质与激发波长无关。

图 3 N,S-CDs的结构和形貌特征

从结构和形貌特征来看，N,S-CDs 呈球形（图3c），平均直径约3.2±0.2nm（图3d），表面富含羟基、羰基、巯基和氨基等多种功能基团（图3a）。

图 4 Fe³⁺的荧光滴定实验

在检测性能上，N,S-CDs对Fe³⁺具有高度选择性和灵敏的荧光猝灭响应，检测限低至 187nM，线性响应范围为0-50µM（图4）。当向N,S-CDs/Fe³⁺体系中加入CYS时，荧光信号会恢复，实现对CYS的检测，检测限为87.1nM，线性范围为0-100µM。并且，该荧光开关在交替添加Fe³⁺和CYS的情况下，可稳定循环10次以上，展现出优异的可逆性。

图 5 N,S-CDs在细胞成像中的应用

实际样品分析结果显示，N,S-CDs在检测自来水和湖水样本中的Fe³⁺时表现可靠，回收率在98.6%-103.5%之间，相对检测灵敏度（RDS%）较低，表明其能在不同环境条件下准确检测Fe³⁺。此外，细胞毒性实验表明，N,S-CDs对HCT-116结肠癌细胞的毒性极低（图5a），细胞存活率超过94%。在细胞成像中，可有效检测细胞内的Fe³⁺和CYS，且荧光响应具有可逆性（图5b）。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）成像，研究团队成功实现了N,S-CDs在细胞内的Fe³⁺和CYS的“开-关-开”型荧光成像，证明了其在生物医学领域的应用潜力。

本研究开发的氮硫共掺杂碳点（N,S-CDs）作为一种新型“开-关-开”型荧光传感器，不仅实现了对Fe³⁺和CYS的高灵敏度检测，还展示了其在实际水样分析和细胞成像中的应用潜力。该传感器具有低成本、高选择性和良好生物相容性的优点，为环境监测和生物医学诊断提供了一种有力的工具。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.inoche.2024.113662