开发一种无仪器、现场、实时、敏感和可视化的氟离子（F-）含量快速检测方法对于确保人类健康至关重要。2023年，福州大学郭隆华副教授和复旦大学赵远锦教授开发了一种基于比例荧光探针（AA-CDs@[Ru(bpy)3]2+）的智能手机传感平台，用于检测F-。选择红色荧光联吡啶钌（[Ru(bpy)3]2+）分子作为参比信号，设计具有Al3+聚集诱导增强发射的碳点（AA-CDs）作为响应信号。比例探针荧光响应不同浓度的F-从红色到青色连续变化，通过智能手机颜色识别应用程序提取荧光图像的红-绿-蓝（RGB）通道值。蓝红比（B/R）与F-浓度呈线性关系，检出限为1.53 μM，远低于世界卫生组织规定的饮用水中F-的允许含量。以若干水和牙膏样品为实际样品，现场快速测定了F-含量，具有满意的重复性和相对标准偏差。该平台具有成本低、便携、操作方便、稳定性、选择性、重复性好等特点，可为智能手机微传感平台在环境保护、诊断、食品安全评价等领域的可视化定量检测提供有力工具。相关成果于2023年以Portable Smartphone
Platform Based on Aggregation-Induced Enhanced Emission Carbon Dots for
Ratiometric Quantitative Sensing of Fluoride Ions为题发表在ACS Sensors (IF = 8.2)上，第一作者为福建理工师范学院的刘晶晶副教授。1. 背景
氟是人类生命活动所必需的微量元素之一。它是骨骼和牙齿的正常组成部分，是形成牙釉质的基本元素，具有抗骨质疏松的功能。然而，氟和其他元素一样，对人体健康有过量和不足的危害，过量的含量会引起中毒。世界卫生组织规定，饮用水中F-的指标值为1.5 mg/L （~ 63.16 μM）。中国国家标准要求含氟牙膏中游离氟和可溶性氟的含量大于等于400 mg/kg。因此，考虑到F-的高毒性，严格控制和评价水和生活用品中的F-含量对保障居民的健康具有重要意义。考虑到现场实施特定目标的智能读取、量化和现场分析，认为利用图像的红-绿-蓝（RGB）值与目标浓度之间的特定关系来实现定量。其中，荧光因其色彩丰富、稳定性好、易于识别而受到青睐。然而，大多数荧光传感策略采用单一荧光信号，容易受到环境因素的影响。此外，单色荧光探针的颜色范围较窄，导致荧光颜色变化不明显，这阻碍了其分辨率和在肉眼视觉分析中的应用。相比之下，比率荧光策略近年来受到青睐。一方面，由于比例模式的内部自校准能力，可以提高检测的稳定性和精度。另一方面，比例模式具有丰富的色彩变化范围，更有利于区分。与智能手机设备结合，可自动识别提取，适合标准化应用和推广。近年来，CDs研究取得了很大进展，但仍有许多问题需要解决。其中之一是基于CDs的荧光传感器在识别目标后荧光强度几乎猝灭。猝灭荧光探针灵敏度低，假阳性，抗干扰能力差，容易受到重金属离子、氧原子、重原子效应等因素的影响，而发光荧光探针灵敏度高，可以减少假阳性信号和背景干扰。AIE荧光材料在溶液中发光微弱甚至没有发光，但在聚集状态下发光增强。因此，开发具有AIE特性的多功能CDs用于分析和生物传感是当前研究的重点之一。2. AA-CDs的表征及其Al3+诱导AIE性能
以AA为原料，采用一步溶剂热法合成了AA-CDs，在370 nm激发下，其发射波长为537 nm。AA-CDs由于C=O键的n-π*跃迁，在350 ~ 380 nm范围内具有较弱的宽吸收带（图1A），AA-CDs的荧光寿命为2.02 ns（图1B）。TEM图像显示，AA-CDs呈近似球形，具有良好的分散性和均匀性，统计尺寸为2.4 nm。此外，AA-CDs的晶格间距为0.21 nm，归因于石墨的（100）平面（图1D）。FT-IR表明，AA-CDs在3309和1642 cm-1处有明显的特征吸收峰，分别归因于O−H(v)键和C−O(v)键。位于2982和2907 cm-1的特征峰分别来自C−H(v)键，位于1085和1044 cm-1的特征峰对应于C−O(v)键，表明AA-CDs表面富含-OH和-COOH等亲水性基团（图1C）。XPS进一步表明，532.32和286.07 eV处的特征峰分别属于O1s和C1s，表明AA-CDs主要由C和O两种元素组成，其比例分别为55.09和44.91%。C1s的分峰拟合能谱在284.83、286.45、288.37和291.7 eV处有四个特征峰，分别对应于C−C/C=C、C−O−C/C−OH、C=O和O−C=O（图1E）。O1s能谱在531.97和533.07 eV处呈现两个特征峰，分别对应于C=O和C−O（图1F）。上述结果也证实了AA-CDs表面富含含氧基团，这有利于AA-CDs具有优异的水溶性。![]()
Figure 1.
Characterization of AA-CDs. (A) Fluorescence and UV−vis absorption spectra. The
inset image is the corresponding fluorescence color of the AA-CDs solution
under 365 nm excitation. (B) Fluorescence lifetime decay curve. (C) FT-IR
spectrum. (D) HRTEM image. The inset image is the dynamic light scattering
particle distribution. High-resolution XPS deconvoluted peaks of C 1s (E) and O
1s (F).
图1. AA-CDs的表征。(A) 荧光和紫外-可见吸收光谱。插图为AA-CDs溶液在365 nm激发下对应的荧光颜色。(B) 荧光寿命衰减曲线。(C) FT-IR光谱。(D) HRTEM图像。插图为动态光散射粒子分布。高分辨率XPS解卷积C1s(E)和O1s(F)的峰。
在AA-CDs稀释液中加入Al3+和其他阳离子溶液。如图2A、B所示，加入Al3+后的CDs溶液荧光强度和寿命明显增强。这是由于AA-CDs与Al3+结合后形成聚集体，导致范德华力增强，AA-CDs之间形成氢键，分子内振动受限，非辐射跃迁减少，AA-CDs表现出AIE现象。Ag+、Cu2+、Fe3+对AA-CDs的猝灭作用较弱，其余离子对AA-CDs的荧光强度影响不大，说明AA-CDs对Al3+具有较好的选择性。同时，AA-CDs的发射峰波长响应于Al3+发生蓝移。这是由于AA-CDs富含羟基（-OH）并含有分子内氢键，这增加了光激发时质子的电离程度，并且易于发生激发态分子内质子转移，其中质子从-OH转移到邻近的原子上。与之形成氢键（通常形成五元或六元环）。由于光激发形成的酮异构体仅在被激发状态原子中比原醇结构更稳定，与之形成氢键（通常形成五元或六元环），从而由原来的醇结构转变为酮结构。由于光激发形成的酮异构体仅在激发态下比原始醇结构更稳定，因此光异构体的荧光与原始分子的荧光峰相比发生了红移。加入Al3+后，AA-CDs中的-OH与Al3+键合，导致-OH去质子化，抑制了ESIPT过程，因此AA-CDs的荧光发射波长发生蓝移。TEM显示，AA-CDs在响应Al3+后发生一定程度的聚集，形成粒径约为10 ~ 20 nm的随机团簇（图2C），这与单分散状态的AA-CDs完全不同。同时，C1s和O1s的XPS拟合能谱证实了Al3+的引入对AA-CDs中两种元素的成键模式没有影响。Al 2p的XPS能谱显示，其72.65和73.47 eV的特征峰归属于Al−O键（图2D），这与AA-CDs富含图1C中羟基等活性官能团的事实相一致。表明AA-CDs中的OH-/COO-与Al3+相互作用诱导AA-CDs的交联和聚集。基于以上发现，本文推断Al3+与AA-CDs结合后形成Al−O键，限制了AA-CDs中活性官能团的振动和旋转，聚集态的形成也减少了AA-CDs与溶剂的相互作用，从而降低了非辐射跃迁的概率。导致AA-CDs的荧光和寿命增强，这一现象归因于Al3+诱导的荧光AIE增强特性。此外，AA-CDs的荧光强度与Al3+浓度呈正相关（图2E），且荧光强度和B/R比几乎相同，说明B/R比可以代替荧光作为定量检测的信号读取方法（图2F）。然而，单一荧光颜色的变化范围较窄，视觉分辨率较差，阻碍了其实际应用。因此，构造多色模式就显得尤为重要。![]()
Figure 2. AIE
effect of AA-CDs in response to Al3+. (A) Fluorescence intensity
changes in AA-CDs after reacting with different metal ions, where the
concentration of Al3+ was 500 μM and the concentration of other ions
was 5.0 mM. The inset images are the corresponding fluorescence color of the
AA-CDs solution before and after the response to Al3+. (B)
Fluorescence lifetime changes before and after the binding of AA-CDs to Al3+.
(C) TEM image of the aggregated state of AA-CDs after responding to Al3+.
(D) High-resolution XPS deconvoluted peak of Al 2p. (E) Fluorescence intensity
changes in AA-CDs after reacting with different concentrations of Al3+.
(F) RGB values (B/R) of the fluorescence images after the extraction of AA-CDs
reacted with different concentrations of Al3+.
图2. AA-CDs对Al3+响应的AIE效应。(A) AA-CDs与不同金属离子反应后的荧光强度变化，其中Al3+浓度为500 μM，其他离子浓度为5.0 mM，插图为AA-CDs溶液响应Al3+前后对应的荧光颜色。(B) AA-CDs与Al3+结合前后荧光寿命的变化。(C) AA-CDs响应Al3+后聚合态的TEM图像。(D) 高分辨率XPS能谱。(E) AA-CDs与不同浓度的Al3+反应后荧光强度的变化。(F) AA-CDs与不同浓度Al3+反应后荧光图像的RGB值（B/R）。
3. 比例纳米探针AA-CDs@[Ru(bpy)3]2+及智能手机传感平台的构建与可行性
比率荧光是构建多色荧光传感器的策略之一。与单色荧光相比，比例荧光的颜色变化范围更广，更容易用肉眼识别。比率模式还包含一个自校正能力，可以克服假阳性信号和背景干扰。引入带正电的红色荧光分子联吡啶钌[Ru(bpy)3]2+作为参比，与AA-CDs结合制备了比例荧光纳米探针AA-CDs@[Ru(bpy)3]2+。不同浓度的Al3+（图3A）和F-对[Ru(bpy)3]2+的荧光强度没有影响，表明[Ru(bpy)3]2+非常适合作为制作比例荧光探针的内部参考荧光分子。紫外-可见吸收光谱显示出两个特征峰（图3B），结合[Ru(bpy)3]2+后AA-CDs的ζ电位绝对值减小（图3C），动态光散射表明其粒径相对自由的AA-CDs变大，表明比例探针研制成功（图3D）。此外，纳米探针AA-CDs@[Ru(bpy)3]2+在Al3+响应后显著增强了位于500 nm的AA-CDs的荧光强度，而位于607 nm的[Ru(bpy)3]2+的荧光强度几乎没有变化。加入F-溶液后，AA-CDs的荧光强度立即显著降低（图4A）。结果表明，AA-CDs@[Ru(bpy)3]2+的荧光强度比F500/F607可用于定量Al3+和F-。比值探针对Al3+和F-响应前后的图像用智能手机拍摄，RGB值用ColorColl APP提取。B/R比与F500/F607比完全一致。说明B/R比可以代替荧光强度直接分析Al3+和F-（图4B）。智能手机传感平台不需要荧光光谱仪等大型仪器，方便、省时、节约成本，通过动态颜色变化实现裸眼可视化半定量分析。此外，还利用智能手机传感平台测量并分析了比例探针对不同浓度Al3+的响应。图4C显示，B/R比与Al3+浓度呈正相关，对低浓度也实现了高灵敏度分析。此外，对Al3+和F-进行了11次循环测试，结果显示B/R比几乎相同（图4D），说明该智能手机传感平台具有出色的重复性和稳定性，非常适合标准化使用和推广。![]()
Figure 3.
Characterization of AA-CDs@[Ru(bpy)3]2+. (A) Fluorescence
emission spectra of [Ru(bpy)3]2+ upon addition of
different concentrations of Al3+ (λex = 370 nm). (B)
UV−vis absorption spectrum. (C) ζpotential. (D) Size distribution.
图3. AA-CDs@[Ru(bpy)3]2+的表征(A) 加入不同浓度Al3+后[Ru(bpy)3]2+的荧光发射光谱（λex = 370 nm）。(B)紫外-可见吸收光谱。(C) ζ势。(D) 尺寸分布。
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Figure 4.
Fluorescence changes of AA-CDs@[Ru(bpy)3]2+ in response
to Al3+ and F-. (A) Fluorescence intensity changes. (B)
Comparison between F500/F607 and the RGB values (B/R).
(C) Variation in RGB values (B/R) in accordance with the Al3+concentration. (D) Reversibility of the sensing system in response to Al3+and F-.
图4. (A) AA-CDs@[Ru(bpy)3]2+对Al3+和F-的荧光响应荧光强度变化。(B) F500/F607与RGB值的比较（B/R）。(C) RGB值（B/R）随Al3+浓度的变化。(D)感应系统对Al3+和F-响应的可逆性。
4. 基于比例荧光探针的智能手机感应平台Al3+和F-检测性能研究
使用智能手机传感平台对Al3+和F-进行定量检测。随着Al3+浓度从0 μM增加到500 μM，比例探针的荧光颜色逐渐由红色向青色转变，荧光强度比（F500/F607）和B/R与Al3+浓度呈正相关。B/R值与Al3+浓度在0 ~ 20 μM范围内呈线性相关，其线性相关为Al3+和F-的定量检测提供了基础。线性常数R2为0.994 μM，检出限LOD为0.248 μM。然后，将一系列浓度的F-加入到Al3+诱导的AIE比例探针溶液中。反应5 min后，比例探针的荧光色逐渐由青色变为红色（图5A），F500/F607和B/R比值与F-浓度呈负相关。B/R与F-浓度在0 ~ 450 μM范围内呈线性关系，R2和LOD分别为0.998和1.53 μM（图5B）。其灵敏度显著高于大多数现有荧光纳米传感器，检出限远低于WHO饮用水中F-含量标准。在将提出的智能手机传感平台策略应用于实际样品中F-含量的测定之前，还需要对其抗干扰能力和选择性进行研究。在相同的条件下，研究了水样中共存的其他几种阴离子。如图5D所示，尽管其他阴离子浓度远高于F-，但B/R比值与空白组一致，对F-特异性有明显响应。这是由于F-具有较大的电负性和较小的离子半径，对Al3+的亲和力较其他阴离子（Cl-、Br-、I-、Ac-、NO3-、SO42-、CO32-、PO43-等）强，形成稳定的配位配合物AlF3或AlF63-。此外，图2A证实了水样中常见共存阳离子不会干扰Al3+-AIE比例荧光探针。上述研究结果验证了智能手机传感平台可用于评估实际样品中的F-水平。![]()
Figure 5.
Feasibility of the sensor for the detection of F-. Photographs (A)
and B/R ratio (B) of AA-CDs@[Ru(bpy)3]2+ in response to
different concentrations of F-. (C) Calibration curve for F-detection. (D) Selective investigation. The concentration of F- is
600 μM, the concentration of other anions is 6.0 mM, and the buffer solution is
HEPES (pH = 7.4, 10 mM).
图5. (A) 传感器检测F-的可行性。AA-CDs@[Ru(bpy)3]2+对不同浓度F-的响应照片和B/R比(B)。(C) F-检测校准曲线。(D) F-的浓度为600 μM，其他阴离子的浓度为6.0 mM，缓冲液为HEPES（pH = 7.4, 10 mM）。
5. 真实样品中F -含量检测的智能手机传感平台
为了验证基于智能手机的传感策略的实用性，利用所提出的方法量化了真实水和市场牙膏样品中的F-含量。同时，使用F离子选择电极（Ion Selective
Electrode, ISE）直接测定游离F-的含量，用于进行对照分析。如表1所示，智能手机传感平台检测到的不同水和牙膏样品中的游离F-含量分别为1.64 ~ 7.52 μM和73.95 ~ 112.23 μM。该方法的回收率和相对标准偏差（RSD）分别在95.4 ~ 105.6%和4.2 ~ 6.1%范围内，具有良好的重复性和可靠性。研究表明，本文提出的传感策略可以作为精确量化F-的替代工具。Table
1. Comparison of Smartphone Platform-Based and ISE-Based Spiked Recovery
Methods for the Determination of Free F− Concentrations in the Real Samples (n
= 3).
表1.基于智能手机平台和基于ISE的加标回收率法测定实际样品中游离F-浓度的比较（n
= 3）。
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6. 总结
总之，本文开发了一种基于AIE的新型比率荧光纳米探针（AA-CDs@[Ru(py)3]2+），用于实时和原位定量分析F-。该比率纳米探针在响应F-后呈现出由红色到青色的鲜明荧光变化，易于用肉眼视觉区分。构建了便携式智能手机平台，通过RGB值灵敏地检测F-含量。该比率传感平台抗干扰能力强、成本低、稳定性好、便携性好、操作简单，为快速、准确的可视化定量提供了可靠的方法。此外，智能手机定量平台可以在没有仪器的情况下，极大地提高F-检测的可靠性和普遍性，特别是在极端贫困地区，这为环境保护、食品安全监测和生物分析领域的微设备发展提供了新的视角。便携式仪器一直以来就是仪器研发的一个重心，在现场检测时，小型仪器的优点就更为明显了。CDs作为一个灵敏的可视化探针，在排除其他离子的干扰下，可以有效的进行F-检测，且能做到精确的测试，给离子检测微型仪器研发提供了新思路。刘俨漫，24岁，四川广安人；
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