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Machine Learning Decoding of Iron-Doped Carbon Dots Dual-Mode Responses for Portable Smartphone Sensing and Real-Time Bioanalysis of Chiral Ascorbic Acid

抗坏血酸 化学 生物分析 荧光 猝灭(荧光) 纳米技术 玻璃碳 离解(化学) 碳纤维 手性(物理) 位阻效应 生物传感器 解码方法 电子转移 组合化学 荧光寿命成像显微镜
作者
Le Liang,Qianqian Jiang,Zhenhua Zhai,Chunyan Guo,Yichen Li,Shuaijing Du,Yingxiang Du
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:98 (16): 12010-12022
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.6c00430
摘要

Achieving selective recognition and in situ monitoring of chiral isomers in complex biological environments remains a major analytical challenge. This study presents a portable sensing platform that combines machine learning with iron-doped carbon dots (FeCDs) for differential dual-mode detection and real-time bioimaging of chiral ascorbic acid (L-AA and D-AA). The FeCDs exhibit distinct chirality-dependent fluorescence responses: L-AA triggers a pronounced “red-to-cyan” fluorescence blue-shift by inducing the reduction of Fe 3+ to Fe 2+ and its subsequent dissociation from the carbon skeleton surface, thereby blocking ligand-to-metal charge transfer. In contrast, D-AA leads to a “red-to-colorless” fluorescence quenching predominantly via weak interactions governed by steric hindrance, following a photoinduced electron transfer pathway. DFT and IGMH analyses elucidate the chirality-dependent signal transduction mechanisms. A hydrogel-based chip integrated with FeCDs was fabricated and coupled with smartphone imaging and an XGBoost algorithm, enabling extraction of 1019 image features for high-accuracy quantification ( R 2 > 0.97, Error < 1.5%) and 100% chiral discrimination. The platform was successfully applied to complex real-world samples and enabled in vivo imaging and semiquantitative analysis of ascorbic acid distribution in an Oryzias latipes model. This work provides insight into stereoselective interactions with metal-doped carbon dots and offers an intelligent, portable tool for chiral sensing and physiological tracing.
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