《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Carbon dots-based ‘two-pronged’ strategy for dual-mode rifampicin sensing: From laboratory to smartphone-assisted field testing
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利福平快速检测方法研究：采用双模式荧光碳点传感器结合智能手机微信小程序实现0.67 μM检测限，适用于食品、水和生物样本的无仪器现场定量分析。
潘志伟|杜婷婷|吴秋雨|王梦婷|潘浩|张天悦|刘强|易文静
国家民族事务委员会青藏高原污染控制化学与环境功能材料重点实验室，西南民族大学化学与环境学院，中国成都610041
摘要
利福平（RIF）是一种关键的抗结核药物和广谱抗生素，但如果被滥用，会对食品安全和公共卫生构成重大风险。为了确保有效的监测，我们开发了一种“双管齐下”的传感策略，使用黄绿色荧光碳点（CDs）进行实验室分析和现场检测。这些CDs具有独立于激发的光致发光特性和良好的光稳定性。在实验室模式下，RIF能够选择性地抑制CDs的荧光，检测限（LOD）为0.67 μM（线性范围：3–25 μM）。对于现场应用，通过将CDs沉积在滤纸上制备了一种纸质传感器。通过自主研发的微信小程序“RIF Tester”，可以在环境光下将颜色变化转换为浓度值，实现了88.7%至110.0%的高回收率（检测范围：0–90 μM）。这项研究首次开发了一种集成智能手机的无仪器纸质平台，用于快速监测RIF，为资源有限的地区提供了一种强大的工具。
引言
利福平（RIF）是一种半合成的广谱抗生素，属于利福霉素类，对革兰氏阳性和部分革兰氏阴性细菌具有强大的抗菌活性[1]。自1971年获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准以来，RIF已成为全球结核病的一线治疗药物[2][3][4]。此外，它还用于治疗多种严重疾病，包括骨髓炎、麻风病、淋病、癌症、阿尔茨海默病和HIV[5][6][7][8][9]。RIF通过形成稳定的药物-酶复合物来抑制RNA合成并阻止细菌生长[10][11]。然而，长期或过量使用RIF可能导致肝毒性、发热、关节疼痛、肾衰竭、腹泻、头痛和过敏反应等不良反应。此外，它还会导致耐药菌株的出现，从而阻碍细菌的根除和疾病的治疗[12][13][14][15]。此外，将RIF作为兽药在畜牧业中的滥用不仅对动物源性产品（如肉类和牛奶）的食品安全构成严重威胁，还会将未代谢的残留物释放到自然水生生态系统中，对环境和人类健康构成重大危害[16][17][18]。因此，分析食品样品、水系统和人体生物样品中的微量RIF具有重要意义。开发一种快速、简单且准确的RIF监测方法对于确保食品安全、环境保护和人类健康至关重要。
迄今为止，已经建立了多种分析方法来检测生物、药品和环境样品中的RIF，包括高效液相色谱法（HPLC）[19][20]、电化学方法[21]、毛细管区电泳[22]、质谱法（MS）[23]和化学发光测定[24]。尽管这些方法具有高灵敏度，但它们需要昂贵的设备、熟练的操作人员、复杂的样品制备过程和较长的处理时间，不适合实时现场检测。因此，迫切需要开发一种成本效益高、速度快且用户友好的传感器来检测这些污染物。相比之下，基于荧光的技术因其高灵敏度、成本效益、快速处理和简单操作而受到广泛关注。已经使用了多种荧光探针，包括碳点（CDs）[25][26][27]、量子点（QDs）[28][29]、上转换发光复合材料[30]和金属纳米簇[31][32][33]来进行RIF分析。
碳点（CDs）是一类新兴的碳基纳米材料，具有出色的荧光特性、优异的水分散性、生物相容性、高稳定性和易于合成等优点。这些特性使它们在生物成像、传感、防伪、治疗和光催化等领域得到广泛应用[34][35][36][37]。由于其独特的光致发光和表面化学性质，CDs被广泛用作检测金属离子、抗生素、农药和环境毒素等分析物的荧光探针[38][39][40][41]。多项研究表明CDs在RIF检测中的实用性。例如，孙等人开发了Ce/N-CQDs用于直接检测人体血清中的RIF[26]；李等人合成了蓝色荧光CD水凝胶球体，结合水凝胶和CDs用于水和环境中的RIF定量[42]；Sahoo等人报告称N,S-CQDs通过荧光淬灭机制与RIF选择性相互作用[43]；Magdy等人证明SN-CQDs在特定浓度范围内对RIF、替硝唑（TNZ）、奥尼唑（ONZ）和甲硝唑苯甲酸盐（MNZ）有响应，检测限低至0.31 μM[25]。然而，尽管具有这些优势，基于荧光的检测技术仍无法提供原位和实时的污染物检测解决方案。
与传统方法相比，基于纸张的分析平台在资源有限的环境和及时调查中作为一种替代方案出现，因为它们具有成本效益、便携性、快速响应、易于储存和用户友好性[44][45][46]。然而，传统的基于纸张的比色测定通常仅提供基于颜色变化的定性或半定量结果，限制了其应用范围。此外，大多数报道的视觉传感技术需要黑暗环境和外部紫外线灯进行荧光激发[47][48]。智能手机技术的进步，包括高分辨率摄像头和智能软件，现在可以实现探针引起的颜色变化的快速捕获和数字化。通过从捕获的图像中提取红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）（RGB）值，可以定量确定分析物浓度并直接输出结果。因此，将智能手机与基于纸张的传感器集成在一起，为现场视觉分析提供了一种强大的工具，引起了广泛关注[49][50][51][52][53]。例如，李等人最近开发了一种用于食品中抗坏血酸超灵敏视觉定量的智能即时检测（SPOC）传感器[54]；徐的团队利用智能手机辅助传感技术进行现场Fe3+监测[55]；Dramou等人设计了一种基于纸张的比率荧光传感器，用于超灵敏地现场测定银杏提取物中的总黄酮苷[56]；徐等人开发了一种基于Eu(III)修饰的金属有机框架的智能手机集成荧光传感器，用于食品和环境样品中四环素的视觉定量[57]。这些研究突显了智能手机集成比色纸张传感平台的可行性。然而，迄今为止，尚未有研究探索基于智能手机的便携式视觉平台用于无仪器的RIF检测。
在这里，我们开发了一种基于CDs的荧光智能手机集成纸张传感器，用于食品样品、环境水和人体生物样品中RIF的现场便携式视觉检测（图1）。通过一步水热法使用聚乙烯亚胺和香豆素作为前体化合物制备了黄绿色荧光CDs，表现出出色的荧光稳定性。利用RIF对CDs的荧光淬灭效应，设计了一种创新的荧光纳米传感器，实现了87%的最大淬灭效率、3–25 μM的检测范围和0.67 μM的检测限（LOD）。在实际样品分析中，该传感器的可靠性得到了86.7%至114.7%的回收率验证。此外，通过将CDs直接沉积在纸条上，建立了一个智能手机辅助的基于纸张的传感平台。在环境光下，利用自定义设计的微信小程序“RIF Tester”记录RIF引起的颜色变化并将其数字化为RGB值。在RIF浓度范围0–90 μM内，RGB值之和表现出强烈的线性相关性（R2 = 0.9960），证明了其在多种实际样品现场分析中的优异可靠性。最终，我们成功建立了一个成本效益高、便携的基于纸张的检测平台，集成了智能手机技术，用于食品、环境和生物样品中RIF的实时现场定量视觉分析。
材料与设备
聚乙烯亚胺（PEI）、香豆素和乙醇（EtOH）购自上海Aladdin生化科技有限公司。所有试剂和化学品均为分析级，收到后未经额外纯化即使用。所有实验过程中均使用超纯水（18.2 MΩ）。
紫外-可见吸收光谱和荧光光谱使用荧光分光光度计（Dual-FL，Horiba，美国）进行测量。荧光寿命测量使用...
CD的合成与表征
CDs是使用标准的一锅水热法合成的（如图1A所示），遵循我们之前建立的协议[58]。主要前体为聚乙烯亚胺（PEI）和香豆素。所得CDs在水介质中表现出优异的分散性和高溶解性。通过一系列分析技术对其物理化学性质进行了全面研究，包括高分辨率透射电子显微镜...
结论
总之，我们开发了一种成本效益高且简单的一步水热策略，使用聚乙烯亚胺和香豆素合成激发依赖型碳点（CDs）。所得CDs表现出强烈的黄绿色荧光、优异的水溶性和良好的光稳定性，作为检测利福平（RIF）的高灵敏度和选择性荧光探针。传感机制被系统地归因于FRET的协同作用...
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
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号21702174）、四川省科学技术厅（项目编号2026NSFSC0870）和西南民族大学科研资助项目（项目编号2024KYZZ04N）的支持。
