基于智能手机的荧光传感平台，利用CeO?@姜黄素荧光探针实现食品和环境样品中As(V)的检测

《Talanta》：Smartphone-enabled Fluorescence Sensing Platform for As(V) Detection in Food and Environmental Matrices using CeO 2@Curcumin Fluorescent Probe

　　姜黄素基CeO2纳米粒子荧光探针通过吸附-解吸机制实现砷(V)的高灵敏检测，检测限25.83 nM，智能手机集成便携式分析平台，绿色可持续适用于食品安全和环境监测。

　　

郭振星|徐芳|苏龙飞|程强|徐立强|盛国平

合肥工业大学食品与生物工程学院制药工程系，中国合肥230009

摘要

荧光方法在食品安全中检测砷酸盐（As(V)）方面具有巨大潜力。然而，环保且可持续的荧光指示剂的开发仍处于早期阶段。本文开发了一种新型荧光传感平台用于检测As(V)。姜黄素（Cur）是一种源自植物的、无毒的、环保的食品添加剂，因其优异的荧光特性而被用作本研究的绿色荧光指示剂。二氧化铈纳米颗粒（CeO₂ NPs）通过绿色水热法合成，然后与Cur组装成CeO₂@Cur荧光探针。As(V)的检测基于吸附-解吸机制：As(V)从CeO₂表面取代Cur，从而恢复其荧光。基于这一机制，该探针在0.10-30.00 μM的浓度范围内对As(V)表现出线性响应（R² = 0.991），检测限低至25.83 nM。此外，通过集成基于智能手机的RGB荧光图像分析技术，构建了一个便携式平台，用于现场检测As(V)。因此，这项工作为食品和环境样品中As(V)的检测提供了一种可持续且实用的解决方案。

引言

食品和饮用水中的砷（As）污染对人类健康构成严重威胁，尤其是其高毒性的无机离子形式（i-As）[1]、[2]。i-As的释放通常源于人类活动，如采矿、工业过程以及含砷化学品的滥用[3]、[4]。i-As主要以两种氧化态存在：砷酸盐（AsO₄^3-，As(V)）和亚砷酸盐（AsO₃^3-，As(Ⅲ)），这两种形式是砷元素的最毒形式[5]。值得注意的是，在有氧条件下，As(V)是主导化学形式，它在富氧环境中具有热力学稳定性。长期暴露于As(V)污染可能导致严重的健康问题，如皮肤疾病、心血管疾病和多种类型的癌症[6]。由于这些健康风险，迫切需要开发快速、可靠且无需仪器的现场检测方法，这对于保障食品和饮用水安全至关重要。

已经建立了多种分析方法用于检测和量化饮用水、食品和环境样品中的As(V)[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。其中，电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[12]、[13]、原子吸收光谱法（AAS）[14]和原子荧光光谱法（AFS）[15]因其高灵敏度和精确度而被广泛使用。此外，高级联用技术，包括高效液相色谱与ICP-MS联用（HPLC-ICP-MS）[12]、[13]，以及氢化物发生与AAS联用（HG-AAS）[16]或AFS联用（HG-AFS）[17]，也广泛用于As(V)的检测。这些方法具有出色的灵敏度和精确度，能够准确量化复杂基质中的微量As(V)。然而，它们依赖于复杂的仪器、专业的操作技能和劳动密集型的样品制备，严重限制了实际应用。因此，迫切需要开发快速、准确且用户友好的As(V)检测分析方法。

基于荧光的方法具有高灵敏度、快速响应和对复杂仪器的依赖性低，使其非常适合现场检测。因此，已经开发了多种荧光系统并成功应用于As(V)的检测[18]、[19]、[20]、[21]。然而，传统的荧光探针（如基于合成染料、量子点或金属有机框架（MOFs）的探针）通常涉及多步合成和使用有毒试剂[22]、[23]。例如，这些MOFs的制备常常需要有机连接剂（如2-氨基对苯二甲酸和2-羟基对苯二甲酸），这突显了传统MOF基材料的环境和安全问题[24]。

本研究开发了一种绿色且可持续的荧光传感平台用于检测As(V)（方案1）。关键创新在于使用姜黄素（Cur），这是一种天然、源自植物的、无毒且可食用的分子[25]、[26]、[27]，作为绿色荧光指示剂。与需要危险前体的合成有机染料或MOFs不同，Cur本身无毒、生物相容且易于获取，解决了毒性和可持续性的关键问题。结构上，CeO₂@Cur探针通过简单的共孵育过程构建，Cur分子通过静电相互作用自发吸附到二氧化铈纳米颗粒（CeO₂ NPs）上。这种绿色制备策略避免了多步合成、高能耗条件和不环保的试剂，确保了优异的可重复性和可扩展性。

传感机制利用了Cur和As(V)在CeO₂表面的竞争性吸附[28]、[29]，从而实现可逆的“开启-关闭”荧光响应。这种设计具有高选择性和稳定性，优于许多早期系统[30]、[31]、[32]、[33]。此外，通过将CeO₂@Cur探针与基于智能手机的颜色分析[34]、[35]集成，我们创建了一个便携式和智能化的现场As(V)监测平台，克服了传统仪器方法和实验室荧光测定的局限性。这项工作展示了一种可持续、实用且用户友好的传感策略，在食品安全和环境监测方面具有巨大潜力。

材料

姜黄素（Cur）（>98.00%）和六水合硝酸铈（Ce(NO₃)₃·6H₂O）（>98.00%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。As(Ⅴ)（AsO₄^3-，1000.00 μg·mL^-1）和As(Ⅲ)（AsO₃^3-，1000.00 μg·mL^-1）的标准溶液购自河南北方伟业计量集团有限公司。所有其他试剂均购自上海新华制药试剂有限公司，无需进一步纯化即可使用。实验材料包括红薯

CeO₂@Cur荧光探针的制备与表征

首先使用绿色水热法合成CeO₂ NPs[36]。然后将制备好的CeO₂ NPs（0.50 mg·mL^-1）与Cur溶液（5.00 μM）在无水乙醇中孵育，以制备本研究中使用的荧光探针（CeO₂@Cur）。通过透射电子显微镜（TEM）表征了合成纳米颗粒的形态和大小。如图1所示，TEM图像显示CeO₂ NPs呈球形，具有均匀的粒径分布

结论

本研究开发了一种基于智能手机的绿色可持续荧光传感平台，用于检测As(V)。利用具有天然荧光的植物来源食品添加剂姜黄素（Cur）作为绿色荧光指示剂。Cur分子在CeO₂表面的吸附导致荧光淬灭。加入As(V)后，Cur从CeO₂上解吸，从而恢复其荧光信号。基于吸附-解吸机制，CeO₂@Cur荧光探针表现出良好的性能

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突。

作者贡献声明

盛国平：撰写 – 审稿与编辑，形式分析。 徐立强：撰写 – 审稿与编辑，形式分析。 徐芳：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，调查，概念构思。 郭振星：撰写 – 原始草案，方法学，调查，数据管理，概念构思。 程强：项目管理，调查，形式分析，数据管理。 苏龙飞：调查，形式分析，数据管理

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号42373007）的资助。