许建雄教授课题组《Journal of Biomedical Nanotechnology》：高量子产率竹茎衍生氮掺杂碳量子点用于选择性检测生物系统中的Fe³⁺

铁是人类不可或缺的微量元素，在所有生物体的氧代谢和电子转移过程中起着关键作用。Fe³⁺的缺乏和过量积累与多种生物功能障碍有关，包括肝损伤、肾衰竭等。因此，生物系统中Fe³⁺痕量分析传感平台的建立对健康监测具有重要意义。相较于原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱等方法，荧光传感具有成本低、简便等优势。然而，开发高灵敏度、高选择性荧光探针仍是一项挑战。碳量子点作为一种新型荧光材料，其具有生物相容性好、荧光特性可调、原材料来源等优点，但存在量子产率低，检测灵敏度低等缺陷。为此，湖南工业大学许建雄教授团队，以乙二胺为氮掺杂剂，竹茎为碳源，通过水热法制备出高荧光强度氮掺杂碳量子点（NCQDs），构建了一种对Fe³⁺敏感的荧光纳米探针，并探究了其对血液样品中Fe³⁺检测的有效性。相关成果“Highly Fluorescent N-Doped Carbon Quantum Dots Derived from Bamboo Stems for Selective Detection of Fe³⁺ Ions in Biological Systems”于2021年2月发表在《Journal of Biomedical Nanotechnology》期刊上。论文通讯作者是许建雄教授，第一作者是生物医学工程研究生闫佳敏。

图1. 竹茎衍生氮掺杂碳量子点的制备及Fe³⁺检测应用

所制备的 NCQDs 尺寸分布均匀，平均尺寸约为 2.43 nm。大量的官能团（C=N、N–H、C=O 和羧基）锚定在 NCQDs 上，表明氮在碳量子点中成功掺杂。所获得的 NCQDs 具有 20.02% 的高荧光量子产率，并且在宽 pH 范围和高离子强度下具有出色的荧光稳定性。

图2. NCQDs的透射电子显微镜，傅里叶红外光谱，X射线光电子能谱表征结果

此外，Fe³⁺对所制备的 NCQDs 呈现出特定的荧光猝灭效应。对应于 Fe³⁺浓度的荧光猝灭程度校准曲线在 0.01- 10 μM 范围内呈线性响应，检测限为 0.486 μM，这表明 NCQDs 对Fe³⁺离子具有高灵敏度。由于这些独特的性质，NCQDs 被选作人类血清中微量Fe³⁺离子的荧光探针。这些结果表明它们在临床诊断和其他生物学相关研究中具有广阔的应用前景。

图3. NCQDs对金属离子的选择性响应测试及对不同浓度Fe³⁺的荧光响应测试

该工作得到了国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省教育厅科学研究项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1166/jbn.2021.3034