水凝胶包裹的碳点/银金纳米簇能够实现对实际样品中次氯酸盐的超灵敏双模式荧光和比色检测

《Microchemical Journal》：Hydrogel-entrapped carbon dot/silver?gold nanoclusters enable ultrasensitive dual-mode fluorescent and colorimetric detection of hypochlorite in real-life samples

　　

Kurdistan Fakhraldin Azeez | Abdullah Salimi | Rahman Hallaj | Faezeh Pakpoor

库尔德斯坦大学化学系，伊朗萨南达杰，邮编66177-15175

摘要

次氯酸盐/次氯酸（ClO^? / HClO）是众多活性氧（ROS）类型中的一种，在各种生物功能中起着关键作用。可靠、高效且准确地识别ClO^?离子对人类尤为重要。在此，我们开发了一种双模式方法，适用于液体和水凝胶状态下的快速比率荧光和比色分析。基于比率荧光的智能水凝胶探针被用于检测和定量次氯酸盐。该探针通过物理混合碳点（CDs）和银金纳米簇（AgAu NCs）制备而成。在次氯酸盐存在下，CDs的绿色荧光强度（I₄₇₅）增加，而AgAu NCs的红色荧光强度（I₆₅₅）降低。I₄₇₅/I₆₅₅比值随ClO^?浓度的变化在1337 nM至3.39 nM范围内呈线性关系，液体状态下的检测限为9.9 nM，水凝胶状态下的检测限为59 pM。与液体状态相比，这种水凝胶状态的检测灵敏度提高了166倍，并且对ClO^?具有很强的选择性，优于其他离子如CH3COO^?、I^?、NO₂^?、SO₄^?、CO₃?。此外，还创建了一个基于智能手机的视觉传感平台，通过精确识别RGB值变化来确定ClO^?的存在。在牛奶、自来水和游泳池水样本上进行的加标回收测试证明了CDs和AgAu NCs在实际样本中用于比率荧光检测ClO^?的可行性，适用于液体和水凝胶状态。

引言

次氯酸盐（ClO^?）是一种活性氧（ROS），具有强烈的氧化性能，对生物体的功能至关重要[1]。在适当浓度下，ClO^?可以有效消除多种病原微生物，并显著增强人类和其他动物的细胞免疫力。然而，体内ClO^?浓度异常升高可能导致多种病理状况，例如与动脉粥样硬化、癌症、心血管疾病、骨关节炎和肺部疾病等严重健康问题有关[2],[3]。此外，由于其出色的杀菌和漂白能力，次氯酸盐被广泛用于日常生活中，包括自来水消毒、织物漂白和大型设施的杀菌[4],[5]。因此，开发一种更简单、更快捷的定性和定量方法来准确检测ClO^?水平对于环境分析和后续疾病临床治疗具有重要意义[6]。与传统次氯酸盐检测方法（如化学发光[7]、光学和电化学检测[8]、电位测定技术[9]、色谱法[10]）相比，荧光探针作为一种有前景的检测方法受到了越来越多的关注[11],[12]。近年来，已有多种荧光探针被用于检测ClO^?[11],[12]。这归因于它们的多种优势，包括非侵入性、高时空分辨率、操作简便、目标物质产生可见信号、优异的灵敏度、良好的选择性和原位检测能力[3],[13],[14]。许多这类探针采用开/关荧光检测机制。背景信号、探针分布、光漂白效应、仪器稳定性和外部检测环境条件等因素通常会影响信号响应。由于比率荧光探针通过使用两种不同波长进行自校准并具有内在校正能力，能够准确且定量地确定特定分析物，因此更受青睐[15],[16],[17]。比率荧光作为一种重要且强大的分析方法，在微量目标物的定量评估中受到了广泛关注。此外，这种双模式传感技术结合了比色和荧光检测的优点，提供了更全面、准确和可靠的分析结果。比率荧光检测系统还具有多种荧光颜色变化的优势，便于可视化。智能手机作为一种便携且用户友好的设备，已成为实际现场检测分析物的有效工具，同时降低了检测时间和成本[18],[19],[20]。研究人员还广泛采用了基于比率荧光探针的设计策略，包括分子内电荷转移（ICT）、分子内激发态质子转移（ESIPT）和F?rster共振能量转移（FRET）[21],[22]。与其他策略相比，基于FRET的比率荧光探针具有显著的斯托克斯位移、最小的背景干扰、防止自淬灭、适用于生物分析、光学成像以及降低荧光检测误差等优点[6],[22]。

最近，利用纳米材料的传感器发展极大地提高了检测技术的灵敏度和选择性。各种荧光传感器，包括金和银纳米簇、碳点和量子点，已被用于荧光传感。碳点和量子点因其优异的特性而特别受欢迎[12]。碳点因其低毒性、成本效益、良好的生物相容性和小尺寸而适用于多种生物应用[23],[24]。尽管大多数基于碳点的荧光传感方法用于水溶液中的分析物检测，但许多研究团队最近在开发固态或凝胶基传感器系统方面取得了显著进展，碳点也可以固定在水凝胶基质中用于传感应用[25]。

金属纳米簇（NCs）因其独特的物理化学性质和优异的生物相容性而受到广泛关注。它们被广泛应用于传感、生物成像、治疗和催化等领域[26],[27]。这些特性在多孔纳米粒子中尤为明显，使其成为催化研究的理想候选材料[28]。制造双金属纳米簇最常用的元素是金（Au）和银（Ag），因为它们的原子尺寸相似[29]。这些元素具有多种优势，包括更高的稳定性、出色的荧光量子产率、低毒性、易于表面修饰以及简单的合成方法[30]。此外，AgAu NCs和CDs相互作用生成的纳米复合材料在荧光传感平台中表现出协同效应，提高了其效率。因此，它们特别适合检测多种目标，如金属离子、蛋白质、DNA和小分子[31],[32]。

开发一种能够在液体和水凝胶状态下可靠检测次氯酸盐（ClO^?的传感器至关重要。在这项研究中，通过结合荧光和比色检测方法设计了一种高灵敏度和选择性的比率荧光传感器。该传感机制依赖于碳点（CDs）和银金纳米簇（AgAu NCs）之间的荧光共振能量转移（FRET）。为了进一步提高传感器的分析能力，这两种纳米材料被嵌入水凝胶基质中（见图1）。在360 nm激发下，CDs和AgAu NCs在液相中分别发出475 nm和655 nm的稳定发射带，在水凝胶状态下发出455 nm和655 nm的发射带，从而实现比率荧光测量。加入ClO^?后，475 nm（液体）和455 nm（水凝胶）的荧光强度显著增加，而655 nm的发射强度相应降低，证实了基于FRET的传感响应。此外，还开发了一个基于智能手机的便携式测试平台，以实现快速、可视化的现场检测次氯酸盐。3D水凝胶网络的集成不仅提高了传感器的灵敏度和选择性，还确保了适用于实际样本分析的稳定荧光信号。所提出的比率传感器有效用于测量牛奶、自来水和游泳池水中的ClO^?浓度，无论是在液体状态还是水凝胶状态下。

部分摘录

试剂和仪器

本实验中使用的所有试剂均为分析级，无需进一步纯化即可直接使用。羧甲基纤维素（CMC）、氯金酸（HAuCl₄·3H₂O,99%）、氢氧化钠（NaOH）、硼氢化钠（NaBH₄）、硫辛酸和硝酸银（AgNO₃,98.7%）购自Sigma Aldrich，甜菜根则从当地超市购买。各种分析物质的储备溶液（0.1 mol L^?1），包括NaClO、NaNO₃、NaNO₂、CH₃COONa、Na₃PO₄、MnSO₄、CaCO₃等，均由Sigma Aldrich提供。

CDs、AgAu NCs和CDs/AgAu NCs的微观和光谱特性

采用了包括TEM、SEM、UV–Vis光谱、XRD、FTIR、拉曼光谱和荧光光谱在内的多种分析技术来表征合成的颗粒，特别是CDs、AgAu NCs和CDs/AgAu NCs。TEM成像用于确定CDs的尺寸分布和形态（图1 A）。CDs的TEM图像显示它们呈球形且均匀分布，没有聚集现象。

结论

总之，我们通过结合碳点（CDs）和AgAu纳米簇（AgAu NCs）以及智能手机辅助读出，开发了一种多功能且便携的比率荧光传感平台，为现场检测次氯酸盐（ClO^?提供了实用的方法。AgAu NCs通过其可调的荧光、优异的光稳定性和高效的能量转移，为系统提供了灵敏可靠的FRET信号调制。与基于液体的方法相比……

CRediT作者贡献声明

Kurdistan Fakhraldin Azeez：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法学设计。Abdollah Salimi：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学设计、正式分析。Rahman Hallaj：正式分析、概念构思。Faezeh Pakpoor：方法学设计、正式分析。

利益冲突声明

作者确认没有可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了库尔德斯坦大学研究办公室的支持（资助编号：11-02-1403）。同时感谢伊朗国家科学基金会（INSF）的财政支持。