一种用于可视化及定量检测水溶液中三价铁离子的便携式智能手机辅助荧光探针

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A portable smartphone-assisted fluorescent probe for the visualization and quantitative detection of ferric ions in aqueous solutions

　　

张云凯|王景奇|张一凡|王思豪|彭思婷|金桥|魏恩奇|陈达

中国浙江省宁波市宁波大学海洋与交通学院，邮编315211

摘要

准确监测水环境中的三价铁离子（Fe³⁺）至关重要，因为其浓度过高会对人类健康和生态系统造成严重危害。本文开发了一种基于蓝光发射碳点的荧光传感器，用于检测水溶液中的Fe³⁺。这类碳点是通过一步溶剂热法，以5-氨基邻苯二甲酸和邻苯二酚为前驱体制备而成的，具有强烈的蓝光荧光。当加入Fe³⁺后，由于内滤效应和静态淬灭机制的共同作用，碳点的荧光会显著减弱，从而实现Fe³⁺的检测，其检测限为92?nM，线性检测范围为0.092–70?μM。此外，通过将碳点固定在滤纸上，还构建了一种集成在智能手机上的传感系统，可实现对Fe³⁺的现场可视化定量检测，检测限为176?nM。该传感器的回收率在97.5%到103.8%之间，相对标准偏差低于3.42%。这些结果证明了所提出的纸质传感平台在真实样品中检测Fe³⁺的可靠性和高准确性。该便携且成本较低的传感系统为Fe³⁺的监测提供了准确实用的方案，在健康防护和环境监测领域具有广阔应用前景。

引言

三价铁离子（Fe³⁺）是生物体内不可或缺的微量元素，在DNA复制、氧气运输等关键生理过程中发挥着重要作用，这些过程对维持生命至关重要[1]、[2]、[3]。人体内Fe³⁺平衡失调会导致严重的健康问题。Fe³⁺缺乏可能引发贫血和免疫功能下降，而过量积累则可能损害心脏、肝脏和肾脏等重要器官，增加患阿尔茨海默病和癌症的风险[4]、[5]。此外，监测水环境中的Fe³⁺浓度也是评估饮用水质量的重要指标[6]。矿物渗出、工业排放或管道腐蚀导致的Fe³⁺浓度升高会降低水的透明度，产生不良气味，威胁生态系统稳定。因此，世界卫生组织规定了饮用水中Fe³⁺的指导值为5.36?×?10^?6?M[7]。所以，开发快速准确的Fe³⁺检测方法对于生物医学诊断、水质安全以及环境监测具有重要意义。

目前已有多种分析技术用于检测Fe³⁺，包括电化学方法、电感耦合等离子体质谱法、色谱法和菲罗啉分光光度法[8]、[9]、[10]、[11]。不过，这些方法通常需要复杂的仪器设备、较长的分析时间以及熟练的操作人员[12]。相比之下，荧光传感技术具有响应速度快、灵敏度高且操作简单的优点[13]、[14]。迄今为止，已有多种荧光探针被用于Fe³⁺检测，包括纳米团簇、半导体量子点和聚合物基荧光探针[15]、[16]、[17]。尽管这些探针在Fe³⁺检测方面具有一定优势，但仍存在一些挑战。例如，王等人开发的一种荧光聚碳酸酯探针具有较宽的检测范围和高选择性，但检测限相对较高，为262?nM[18]。同样，高等人开发的银纳米团簇探针对Fe³⁺的灵敏度很高，但其选择性不佳[19]。因此，仍需开发兼具高选择性、低检测限以及宽线性范围的荧光探针，以实现高效的Fe³⁺监测。

碳点是一类由分散的球形碳纳米粒子构成的零维纳米材料，因其可调的荧光发射特性、低毒性和低成本而备受关注[20]、[21]、[22]。凭借这些优势，碳点已被广泛应用于光学传感、光催化、生物成像和药物递送等领域[23]、[24]。与此同时，纸质传感器作为一种低成本、高灵敏度且环保的分析平台也逐渐兴起。此外，配备高质量摄像头和强大图像处理功能的智能手机能够轻松获取和分析图像信息，非常适合用于可视化检测应用[25]、[26]、[27]。将智能手机与纸质传感器相结合，具有便携性、响应速度快以及可现场检测等优点[28]。这种组合为开发用户友好且适合现场使用的传感系统提供了可靠基础[29]。因此，我们旨在开发一种基于碳点的荧光探针，用于高效检测Fe³⁺，并将其整合到纸质传感平台中，从而实现对水样中Fe³⁺的快速智能监测。

本文中，以5-氨基邻苯二甲酸和邻苯二酚为前驱体，通过溶剂热法合成了蓝光发射碳点。这些碳点在356?nm激发下于420?nm处表现出强烈的蓝光荧光，通过内滤效应和静态淬灭效应的共同作用，可作为选择性的Fe³⁺探针（见图1）。在0.092–70?μM的浓度范围内，荧光强度随Fe³⁺浓度的增加而呈线性下降，检测限为92?nM。此外，我们还构建了一种便携的智能手机辅助传感系统，可实现Fe³⁺的现场可视化定量检测，其线性检测范围为0.176–50?μM，检测限为176?nM。对真实样品的分析显示，该传感系统的回收率在97.5%到103.8%之间，相对标准偏差低于3.42%。因此，这项工作提供了一种便携的集成传感平台，可用于快速检测Fe³⁺，在水质安全和环境监测方面具有较大的应用潜力。

章节要点

材料、B-CDs的合成、表征、荧光量子产率的计算以及Fe³⁺的检测

关于材料、B-CDs的合成、表征、荧光量子产率的计算以及Fe³⁺检测的详细内容，请参阅补充信息。

基于智能手机辅助传感系统的Fe³⁺可视化检测

本文提出了一种基于智能手机辅助的荧光传感平台，用于Fe³⁺的可视化检测。首先，根据GB/T1914–2017标准，选用纤维素基滤纸作为基底材料，并将其切割成1?×?1?cm²的正方形。随后，将这些正方形滤纸浸入2?mL的B-CDs溶液中

B-CDs的表征

通过透射电子显微镜可以确定B-CDs的形态和粒径。在图1(a)的插图中，高分辨率透射电子显微镜图像显示出间距为0.21?nm的清晰晶格条纹，表明其结晶度很高[30]。B-CDs的粒径分布范围在2到6?nm之间，平均直径为4.12?nm（见图1(b)）。在图1(c)中，拉曼光谱显示出1366?cm^?1和1590?cm^?1处的特征峰

结论

总之，通过以5-氨基邻苯二甲酸和邻苯二酚为前驱体的溶剂热反应，成功制备了B-CDs。当加入Fe³⁺后，由于内滤效应和静态淬灭机制的共同作用，B-CDs的荧光会显著减弱。同时，B-CDs在0.092–70?μM的浓度范围内对Fe³⁺具有良好的线性响应，检测限为92?nM。此外，还基于此设计了一种创新的智能手机辅助传感系统，用于检测Fe³⁺

伦理审批

本研究未涉及人类受试者或动物样本。

资金支持

本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（项目编号：61604084）。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联。