食品源碳點制備及應(yīng)用的研究進展

王秋月，緒亞鑫，蔡朝霞，陳翊平，黃 茜，馬美湖，付 星*

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，國家蛋品加工技術(shù)研究分中心，湖北 武漢 430070）

碳點作為一種新型的熒光納米材料，以其獨特的光學(xué)性質(zhì)、良好的生物相容性、綠色的制備條件和顯著的應(yīng)用價值而備受關(guān)注。2004年，Xu Xiaoyou等[1]在進行單壁碳納米管懸浮液的分離和純化過程中，首次發(fā)現(xiàn)這種帶有熒光的碳納米顆粒。2006年，Sun Yaping等[2]以石墨為原料，通過激光刻蝕法制得熒光碳納米顆粒，并將其命名為“碳點”。從形態(tài)上來說，碳點是直徑小于10 nm的準(zhǔn)球形顆粒;從結(jié)構(gòu)上來說，碳點由sp2雜化或sp3雜化的碳原子構(gòu)成，表面有大量的羥基、羧基等親水性官能團。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同一般可將碳點分為3 類：石墨烯量子點（graphene quantum dots，GQDs）、碳量子點（carbon nano dots，CNDs）和聚合物量子點;性質(zhì)方面，碳點具有激發(fā)波長依賴性、pH值依賴性、上轉(zhuǎn)換熒光性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗光漂白性、低毒性以及良好的生物相容性;應(yīng)用方面，碳點因其優(yōu)良的性質(zhì)，在生物成像、分析檢測、催化、藥物載體、光電設(shè)備等方面有著廣闊的前景，尤其成為了半導(dǎo)體量子點的良好替代者。研究者們圍繞碳點的合成原料、合成方法、熒光機理以及應(yīng)用等方面的研究取得了可喜的進步。關(guān)于碳點的文獻綜述[3-5]著重關(guān)注于碳點的制備、性質(zhì)和應(yīng)用，但是目前圍繞制備碳點原料展開的綜述較少。近年來，圍繞食品原料合成碳點的報道越來越多，使原本低附加值的食物轉(zhuǎn)變成光學(xué)性質(zhì)獨特、生物相容性良好的納米材料成為可能，由此食品源碳點成為碳點研究值得關(guān)注的一個嶄新視角。

1 制備碳點的食品原料

起初碳點僅由碳質(zhì)化合物制得，比如活性炭[6]、石墨[7]、C60[8]、蠟燭煙灰[9]等，但這些原料制得的碳點量子產(chǎn)率普遍較低。大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)，某些雜原子的摻雜會使碳點的量子產(chǎn)率大幅提高，發(fā)射波長紅移。隨后雜原子摻雜碳點的制備成為研究熱點，檸檬酸和乙二胺[10-11]、葡萄糖和氨水[12]、苯二胺[13]等化合物逐漸成為合成碳點的常用原料。除了最常用的氮元素之外，硫、磷、硼、硒等元素也均可作為雜原子摻雜制得碳點。Dong Yongqiang等[14]以檸檬酸和半胱氨酸為原料制得了量子產(chǎn)率高達73%的氮、硫摻雜碳點。在倡導(dǎo)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的大背景下，綠色化學(xué)成為了碳納米材料最近幾年的研究重點。2012年，Liu Sen等[15]使用草為原料，通過簡便的水熱法制得了碳點，并應(yīng)用于Cu2+的檢測，這是利用天然原料制備碳點的首次嘗試;之后研究人員致力于尋找價格低廉、容易獲得、對環(huán)境友好的原料，以及更加綠色環(huán)保的方法合成碳點。相較于人工合成原料，天然原料在綠色合成碳點方面具有優(yōu)勢，但仍有部分值得注意的問題。比如：1）天然原料本身可能具有毒性;2）原料的價格昂貴、來源不足;3）制備過程中工藝復(fù)雜及可能污染環(huán)境;4）制得的碳點毒性高或生物相容性差。而食品原料具有毒性低、價格低廉、來源廣泛、容易獲得、對環(huán)境友好的優(yōu)勢，制得的碳點毒性低，所含元素種類豐富。對合成碳點的食品原料種類及所制得的碳點性質(zhì)歸納總結(jié)得到表1，可以發(fā)現(xiàn)，部分研究人員并不是隨意地選擇食品原料制備碳點，而是有針對性地合成長波長、多色發(fā)光或其他特定性質(zhì)的碳點，使得其應(yīng)用也存在較大的差異性[16-17]。

表 1 利用食品原料制得的碳點及其特征Table 1 Carbon dots made from food materials and their characteristics

2 食品源碳點的制備方法

研究人員旨在用便捷安全、綠色環(huán)保、無毒無害的方法制備碳點。根據(jù)原料與碳點之間的關(guān)系可以分為自上而下法和自下而上法。自上而下法是指比較大的碳顆粒經(jīng)過刻蝕、分裂、切割等過程得到比較小的碳顆粒的方法，常用的自上而下法有激光刻蝕法、電弧放電法、電化學(xué)法等;而自下而上法是指比較小的前體物質(zhì)經(jīng)過水熱熱解、碳化熱解等過程得到納米顆粒的方法，常用的自下而上法有水熱法、熱分解法、化學(xué)氧化法、微波輔助法等。幾種制備食品源碳點的常用方法及其優(yōu)缺點的具體分析見表2。

表 2 不同食品源碳點制備方法之間的對比Table 2 Comparison between different methods for preparing food-derived carbon dots

2.1 水熱法

水熱法是制備食品源碳點最常用的方法，一般步驟是將食品原料與適量的水或其他溶劑裝入高溫反應(yīng)釜后置于烘箱中發(fā)生高溫水熱反應(yīng)最終制得碳點。Sahu等[26]通過水熱法處理橙汁經(jīng)離心后制得了熒光量子產(chǎn)率高達26%的食品源碳點，并將其應(yīng)用于生物成像。利用同樣的方法，以香蕉汁[27]、蘋果汁[25]、檸檬水[40]為原料也可制得毒性低、生物相容性良好的碳點。豬皮中含有大量的氮元素，Wen Xiangping等[48]以豬皮為原料制得了量子產(chǎn)率高達24.9%的氮摻雜綠色熒光碳點（圖1）。大蒜中氮、硫元素的含量豐富，Zhao Shaojing等[24]以大蒜為原料通過水熱法制得了量子產(chǎn)率為17.5%的氮、硫共摻的N、S-CNDs，該碳點在水中分散性良好，呈現(xiàn)出明亮、強烈的藍色，并具有優(yōu)異的pH值穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。Sun Chun等[23]同樣利用大蒜制得了N、S-CNDs，與文獻[24]的不同之處在于，在水熱反應(yīng)中加入了乙二胺以提高碳點的量子產(chǎn)率，最終得到了量子產(chǎn)率為20.5%的藍色熒光碳點，并將其應(yīng)用于Fe3+的檢測。稻殼中含有大量的硅元素，Wang Zhaofeng等[18]通過水熱法利用稻殼制備碳點，在制備過程中得到了副產(chǎn)物介孔SiO2納米粒子，實現(xiàn)了原材料的綜合利用。水熱法有很多優(yōu)點，但部分原料在水熱反應(yīng)中并沒有被充分利用，因此在轉(zhuǎn)化率、控制粒度大小等方面仍待進一步提高[54]。

圖 1 通過水熱法處理豬皮合成綠色碳點的示意圖[48]Fig. 1 Schematic diagram of the synthesis of green carbon dots from pig skin through hydrothermal treatment[48]

2.2 熱分解法

熱分解法是指通過直接加熱、碳化食品原料，再經(jīng)分離純化后得到碳點。雞蛋[50]、甜椒[37]、卷心菜[38]、大豆粉[19]等食品原料均可通過此方法制得碳點。Yin Bangda等[37]以甜椒為原料，在180 ℃的條件下經(jīng)過5 h的碳化后離心透析得到量子產(chǎn)率為19.3%的藍色熒光碳點，并將其應(yīng)用于次氯酸鹽的檢測。大豆富含蛋白質(zhì)，氮元素含量很高。Xu Manman等[19]將大豆粉低溫碳化制得了氮摻雜的藍色熒光碳點，將黑色殘余物恒溫干燥至恒質(zhì)量后，在氫氧化鉀溶液中浸泡10 h后干燥，并在750 ℃的條件下進一步熱解碳化制得了高比表面積、高比電容的多孔碳。此方法為高蛋白質(zhì)食品原料在碳點制備過程中的綜合利用提供了新思路（圖2）。

圖 2 利用大豆粉合成碳點和多孔碳的示意圖[19]Fig. 2 Schematic diagram of the synthesis of carbon dots and porous carbon using soybean meal[19]

2.3 微波輔助法

圖 3 葡萄糖經(jīng)微波輔助法合成碳點的示意圖[58]Fig. 3 Schematic diagram of microwave-assisted synthesis of carbon dots[58]

微波輔助法是一種高效、省時、操作簡單、成本低廉的碳點制備方法。微波輔助法一般步驟是先將食品溶解在水或特定溶劑中，放到微波室中處理一定時間，再經(jīng)分離純化得到碳點。2009年，Zhu Hui等[57]首次使用了微波輔助法，以碳水化合物和PEG-200的混合水溶液為原料，微波爐中500 W加熱2～10 min制得了碳點。Tang Libin等[58]以葡萄糖作為唯一原料，未經(jīng)過表面鈍化制得了平均直徑小于1.65 nm的碳點（圖3）。Qin Xiaoyun等[22]以面粉為原料，通過微波輔助法制得碳點，并將其應(yīng)用于Hg2+的選擇性檢測。Vikneswaran等[28]將香蕉皮粉末的水溶液經(jīng)微波加熱處理40 min后制得了N、S-CNDs。蓮藕也可以作為微波輔助法制備碳點的原料，Gu Dan等[35]以蓮藕為原料制得了量子產(chǎn)率為19%的碳點，并將其應(yīng)用于Hg2+的檢測和細胞成像。微波輔助法雖然具有成本低、耗時短、操作簡單等優(yōu)點，但利用此法制得的碳點存在粒徑不均勻現(xiàn)象。

2.4 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是一種操作簡單、快速便捷的碳點制備方法，利用HNO3、H2SO4、H2O2等化學(xué)氧化劑促進食品原料碳化以制備食品源碳點。一般步驟是先將食品原料碳化，再利用化學(xué)氧化劑處理經(jīng)碳化后的原料，最后經(jīng)分離純化得到碳點。Yan Zhengyu等[21]以淀粉為原料，采用混合氧化劑（醋酸和H2O2）通過化學(xué)氧化法未經(jīng)表面改性制得碳點，并將其應(yīng)用于化療藥物伊馬替尼的檢測。化學(xué)氧化過程亦可以引入含氧官能團、提供更為豐富的表面修飾，從而賦予碳點優(yōu)異的親水性和發(fā)射波長可控性[5]。

2.5 萃取法

圖 4 速溶咖啡通過萃取法制得碳點的示意圖[42]Fig. 4 Schematic diagram of the preparation of carbon dots by the extraction of instant coffee[42]

萃取法是一類針對食品原料的特殊碳點制備方法，由于某些食品原料本身就含有碳點，可以直接通過萃取的方法從中提取出碳點[54]。Jiang Chengkun等[42]通過萃取法從速溶咖啡中成功地提取出食品源碳點。具體方法為，將4 g速溶咖啡粉加入到20 mL、90 ℃的蒸餾水中劇烈攪拌離心后，再將上清液經(jīng)膜過濾（0.22 μm）除去大顆粒，最后以純水為洗脫劑通過Sephadex G-25凝膠層析純化制得碳點。該碳點具有良好的生物相容性，可應(yīng)用于體外細胞成像和小型動物體內(nèi)成像（圖4）。Wei Jumeng等[44]偶然地發(fā)現(xiàn)一杯茶在紫外燈下會發(fā)出藍光，對茶水進行一系列的表征后發(fā)現(xiàn)茶水中含有水溶性的碳點。將茶水離心后用過量的甲苯提取沉淀有機物，靜置后取上清液經(jīng)透析制得澄清透明的碳點溶液。茶水中提取出的碳點具有獨特的光致發(fā)光特性和良好的生物相容性，已成功地將其應(yīng)用于Hg2+檢測和細胞成像。萃取法不需要經(jīng)過復(fù)雜的反應(yīng)過程就能快捷高效地得到碳點，但這種方法也有一定的局限性，即通過此法制得的碳點熒光產(chǎn)率普遍不高，而且并不是所有食品原料中都含有碳點，因此萃取法不具有通用性。

3 食品源碳點的理化性質(zhì)

3.1 結(jié)構(gòu)和組成

在結(jié)構(gòu)方面，食品源碳點由sp2雜化或sp3雜化的碳原子構(gòu)成，為直徑小于10 nm的準(zhǔn)球形顆粒，表面有大量的羥基、羧基等親水性官能團。在組成方面，食品源碳點與普通碳點存在著一些區(qū)別，食品源碳點所含的元素可能會更豐富。碳點一般由C元素組成，或者人為添加含N、S等元素的化合物從而合成雜原子摻雜碳點。而大部分食品原料本身含有豐富的N、S等元素，因此不需要額外添加化合物就可以直接制得雜原子摻雜碳點[24]。不同來源的物質(zhì)制得的碳點存在較大的差異性，通過對碳點的表征，可以進一步認識碳點的結(jié)構(gòu)和組成，為其性質(zhì)分析和應(yīng)用提供依據(jù)。高分辨透射電子顯微鏡可以用來測定碳點的形貌、尺寸和晶體結(jié)構(gòu);X射線衍射儀掃描碳點也可以得到其晶體結(jié)構(gòu);拉曼光譜可以表征碳點的分子結(jié)構(gòu);X射線光電子能譜可以用來表征碳點的元素組成及其價態(tài);紅外光譜可以用來分析碳點表面官能團的種類和比例。

3.2 光學(xué)性質(zhì)

碳點作為一種新型的納米材料，其突出的熒光性質(zhì)備受科研人員的關(guān)注。熒光光譜可以表征碳點的光學(xué)性質(zhì)（激發(fā)光譜、發(fā)射光譜和熒光強度），食品源碳點在光學(xué)性質(zhì)方面具有以下幾個特點：1）通常在紫外區(qū)域（270～320 nm）顯示出明顯的光吸收，經(jīng)過表面鈍化或合成條件調(diào)整后，吸收波長移動到可見光區(qū)域;2）具有激發(fā)波長依賴性，即發(fā)射光譜隨著激發(fā)波長的增加而紅移，碳點的發(fā)射峰位置與激發(fā)波長有關(guān);3）可以在單一的激發(fā)波長下得到多個發(fā)射波長[2]，且激發(fā)波長范圍較寬;4）光致發(fā)光強度高且光穩(wěn)定性良好，在長時間連續(xù)激發(fā)后仍顯示穩(wěn)定的熒光發(fā)射強度，Wang Li等[47]以牛奶為原料經(jīng)水熱法制得的碳點在氙燈（365 nm）下連續(xù)激發(fā)3 h后光致發(fā)光強度幾乎沒有變化，甚至在4 ℃貯存6 個月后其熒光強度仍為原來的90%;5）某些碳點具有上轉(zhuǎn)換熒光性質(zhì)，即激發(fā)波長比發(fā)射波長長的現(xiàn)象[13,59]，Yin Bangda等[37]以甜椒為原料制得的碳點在780～900 nm激發(fā)波長下，發(fā)射波長為400～600 nm;6）不同的原料、不同的合成路線、不同的合成條件（pH值、溫度、溶劑等）得到的碳點的熒光強度、發(fā)射光譜等光學(xué)性質(zhì)不同[60-61]。

3.3 生物毒性

碳點的低毒性使其成為了生物成像的理想材料，Song Yanchao等[62]通過實驗對金納米粒子、碲化鎘量子點和碳點3 種納米材料的毒性進行了比較，發(fā)現(xiàn)與金納米離子、碲化鎘量子點相比，碳點具有更低的毒性、更好的生物相容性，而食物源碳點相比普通碳點，其低毒性、良好的生物相容性等性質(zhì)更顯著。比如，由檸檬酸合成的碳點在400 mg/mL的質(zhì)量濃度下僅顯示出較低毒性[11]，以玉米秸稈發(fā)酵后剩余的木質(zhì)素為原料合成的碳點，在質(zhì)量濃度達到800 mg/mL時仍具有良好的生物相容性[63]。

4 食品源碳點的應(yīng)用

碳點獨特的表面結(jié)構(gòu)使其可以與一些物質(zhì)發(fā)生共價鍵結(jié)合作用、靜電相互作用以及電子或能量的轉(zhuǎn)移作用，從而導(dǎo)致碳點出現(xiàn)熒光猝滅、增強等現(xiàn)象?；跓晒忖纭晒庠鰪?、熒光猝滅再恢復(fù)、熒光猝滅后恢復(fù)再次猝滅等原理，碳點成為了良好的熒光探針。以下主要圍繞食品源碳點作為熒光探針在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進行統(tǒng)計說明。

4.1 食品檢測

“民以食為天，食以安為先”，食品中的重金屬離子、農(nóng)獸藥殘留、食源性致病菌、不良添加劑等嚴(yán)重威脅著人們的飲食健康。因此，研究人員都在尋求新型有效的檢測方法。而食品源碳點作為熒光探針具有來源廣泛、制備簡單、快速便捷、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點，在食品分析與檢測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

4.1.1 金屬離子檢測

由于人們的不當(dāng)行為污染了水源和土壤，使得金屬離子在動植物體內(nèi)富集引發(fā)了食品質(zhì)量與安全問題。由于部分金屬離子不能夠被代謝排出，成為威脅人類健康的因素。目前，金屬離子檢測成為了食品安全檢測中必不可少的一個環(huán)節(jié)，特別是針對重金屬離子的檢測。碳點的熒光強度對金屬離子很敏感，大部分金屬離子的檢測都是基于熒光猝滅現(xiàn)象實現(xiàn)的。碳點作為熒光探針常被用于Fe3+、Hg2+、Cu2+、Co2+等金屬離子的檢測，具有檢出限低且線性范圍廣等明顯的優(yōu)勢。表3歸納總結(jié)了一些具有代表性的熒光探針，并列出了其檢測范圍和檢出限。雖然有許多研究表明碳點可快速準(zhǔn)確檢測金屬離子，但仍存在一些問題不能被明確解釋。比如，碳點的結(jié)構(gòu)與檢測范圍或檢出限之間有什么關(guān)系，不同的金屬離子與表面基團之間的相互作用是否存在著區(qū)別，摻雜其他原子后是否能提高碳點作為熒光探針的敏感性。這些問題都值得研究者們通過進一步的實驗和探索去解答。

表 3 碳點作為熒光探針在金屬離子檢測中的應(yīng)用Table 3 Applications of carbon dots as fluorescent probes in metal ion detection

4.1.2 陰離子檢測

碳點除了可以作金屬離子的熒光探針外，還能夠用來檢測陰離子。Xu Jingyi等[64]報道了Fe3+可以將以馬鈴薯為原料制得的碳點的熒光猝滅，并證明熒光猝滅是由碳點和Fe3+（碳點-Fe3+）之間的作用引起的，通過添加PO43-可以恢復(fù)碳點-Fe3+復(fù)合物的熒光，即基于熒光猝滅再恢復(fù)的原理實現(xiàn)對PO43-的檢測。Yin Bangda等[37]以甜椒為原料經(jīng)熱分解法制得的碳點可以作為檢測ClO-的熒光探針，實驗證明NaClO會使碳點發(fā)生熒光猝滅，此過程中熒光的猝滅與碳點的表面氧化有關(guān)。加入50 μmol/L NaClO后，碳點的熒光猝滅率很高，而加入12 mmol/L的其他測試離子后，碳點的熒光強度并沒有顯著下降。這些結(jié)果清楚地表明，食品源碳點可作為一種用于檢測次氯酸鹽的高分辨性熒光探針。

4.1.3 食品添加劑檢測

食品添加劑是現(xiàn)代食品工業(yè)的基礎(chǔ)，在食品加工過程中加入食品添加劑可以改善食品風(fēng)味、增強營養(yǎng)價值、便于儲存和運輸?shù)?。但是食品添加劑的濫用也同樣嚴(yán)重威脅著食品安全。在尋求更高效、快速、便捷的檢測方法中，Xu Hua等[34]以蘆薈為原料制得的N-CNDs在紫外燈下發(fā)黃色熒光，可以應(yīng)用于檸檬黃的檢測。其熒光強度降低的程度與檸檬黃濃度呈線性關(guān)系，且線性范圍為0.25～32.5 μmol/L，并在市售的饅頭、蜂蜜、糖果等食品中進行了實際應(yīng)用。

4.1.4 致病菌檢測

食源性致病菌嚴(yán)重威脅著人們的飲食安全，食用或飲用受食源性致病菌污染的食品后，嚴(yán)重者會導(dǎo)致死亡。常規(guī)的微生物分離培養(yǎng)的時間周期較長，因此需要尋找更加便捷的方法來快速準(zhǔn)確地檢測食品是否受到致病菌污染。Wang Ning等[31]詳細報道了以木瓜為原料經(jīng)水熱法制備食品源碳點的過程，得到了水溶性和醇溶性兩種碳點（W-CNDs、E-CNDs），均可以應(yīng)用于Fe3+的檢測。其中，W-CNDs還可以應(yīng)用于大腸桿菌（Eescherichia coliO157:H7）的檢測。E. coliO157:H7對W-CNDs的熒光強度有明顯的增強效應(yīng)，檢出限為9.5×104CFU/mL，對相同濃度的E-CNDs則無明顯作用。此項研究為利用碳點檢測食源性病原菌提供了新的思路。

4.1.5 食品中的功能成分檢測

金屬離子與碳點發(fā)生靜電相互作用，可以使得碳點出現(xiàn)熒光猝滅現(xiàn)象。此時，加入一些金屬螯合劑，其與金屬離子發(fā)生螯合作用，碳點的熒光強度則會逐漸恢復(fù)?；跓晒忖缭倩謴?fù)的原理，可以對食品中某些具有螯合能力的成分進行檢測。Wang Qi等[49]以蛋殼膜為原料通過微波輔助法制得熒光量子產(chǎn)率為14%的碳點，并將其應(yīng)用于谷胱甘肽（glutathione，GSH）的檢測。如圖5所示，向碳點溶液中加入Cu2+后會發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象，然而，向含碳點和30 μmol/L Cu2+的混合物中加入150 μmol/L的GSH后，碳點恢復(fù)部分熒光。在最優(yōu)條件下，GSH的線性檢測范圍為0.5～80.0 μmol/L，檢出限為0.48 μmol/L。本實驗室以雞蛋粉為原料合成了N、O、P摻雜的碳點，并將其應(yīng)用于卵白蛋白質(zhì)量濃度的檢測，線性檢測范圍為0.5～15 μg/mL，檢出限為153 ng/mL[65]。

圖 5 碳點在Cu2＋、GSH檢測中“熒光猝滅”和“熒光恢復(fù)”過程的示意圖[49]Fig. 5 Schematic diagram of the process of “turn off” and “off-on” of carbon dots in Cu2+ and glutathione detection[49]

Song Pei等[43]以紅茶為原料，通過水熱法制得的碳點可以作為分析多種物質(zhì)的熒光探針，并利用生化反應(yīng)中的反應(yīng)計量關(guān)系，開發(fā)了一套用于Fe3+、H2O2、葡萄糖定性定量分析檢測的系統(tǒng)。檢測葡萄糖的基本原理如下：Fe3+會使碳點發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象，但Fe2+則不會猝滅熒光;葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOx）氧化葡萄糖產(chǎn)生H2O2，在H2O2的氧化作用下，F(xiàn)e2+會轉(zhuǎn)變成Fe3+，從而使得碳點的熒光猝滅。所以，在碳點溶液中加入GOx和Fe2+后，如果碳點發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象，則表明被測樣品中含有葡萄糖（圖6）。實驗結(jié)果證明，熒光猝滅率與葡萄糖濃度之間具有良好的線性關(guān)系，線性范圍為0.1～50.0 μmol/L，檢出限為1.71 μmol/L。

圖 6 碳點作為熒光探針在Fe3＋、H2O2、葡萄糖檢測過程中的示意圖[43]Fig. 6 Schematic diagram of the application of carbon dots as fluorescent probes in the detection of Fe3+, H2O2 and glucose[43]

碳點在食品分析與檢測領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用，但也存在一些值得研究者們關(guān)注的問題。比如，食品樣品具有復(fù)雜的化學(xué)和生物成分，而且不同的原料經(jīng)不同的途徑合成的碳點，在組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)上有很大的區(qū)別，對不同物質(zhì)的敏感性也有區(qū)別。因此，在不同的食品樣品的干擾下檢測某一特定成分更加困難，需要提高碳點作為熒光探針的響應(yīng)特異性;其次，某一特定物質(zhì)與碳點發(fā)生相互作用而構(gòu)成的熒光猝滅系統(tǒng)或熒光增強系統(tǒng)，需要更加準(zhǔn)確的定量關(guān)系。相信隨著分析方法和傳感器技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的不斷發(fā)展和應(yīng)用，碳點將在食品安全監(jiān)督和管理領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。

4.2 藥物檢測

碳點不僅可以作為食品領(lǐng)域的高選擇性熒光探針起到檢測與分析作用，還可以應(yīng)用于環(huán)境學(xué)、生物學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域。Yan Zhengyu等[21]以淀粉為原料制得的碳點可以作為熒光探針來檢測化療藥物伊馬替尼。室溫條件下將不同質(zhì)量濃度的伊馬替尼加入到45 μg/mL的碳點溶液中，5 min后碳點出現(xiàn)熒光猝滅現(xiàn)象。經(jīng)過實驗，發(fā)現(xiàn)熒光強度變化與伊馬替尼質(zhì)量濃度之間存在線性關(guān)系，且線性范圍為10～400 μg/mL，檢出限為2.4×10-3μg/mL。這些結(jié)果表明，食品源碳點或許可以應(yīng)用于其他藥物的快速、準(zhǔn)確檢測。

4.3 生物成像

2007年，Cao Li等[66]將碳點成功地應(yīng)用于體外和體內(nèi)成像，這是碳點在生物成像領(lǐng)域的首次報道。在這個突破性的研究之后，科研者們利用不同原料制備碳點以提高生物成像的效率。相較于普通碳點，食品源碳點具有更加良好的生物相容性、優(yōu)異的光學(xué)穩(wěn)定性和低毒性，因此成為納米生物成像領(lǐng)域的理想材料。Kasibabu等[33]使用石榴作為原料，制備的食品源碳點可應(yīng)用于細菌（銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa））和真菌（鐮刀菌（Fusarium avenaceum））的細胞成像。Sahu等[26]通過水熱法處理橙汁制得的食品源碳點可以應(yīng)用于MG-63人骨肉瘤細胞的細胞成像，其低細胞毒性和與細胞的高效結(jié)合性，使該食品源碳點成為了用于細胞成像的優(yōu)良探針。圖7b～d分別顯示了在日光下、488 nm和405 nm激發(fā)波長處經(jīng)碳點處理后的MG-63細胞的共聚焦圖像，清楚地顯示出細胞內(nèi)綠色熒光碳納米顆粒的聚集，并能明顯地觀察到細胞核區(qū)域。Wang Li等[47]以牛奶為原料制得的碳點可以用于人腦膠質(zhì)瘤（U87）細胞系的成像，當(dāng)碳點的質(zhì)量濃度增加到1 mg/mL時，仍對細胞沒有明顯的毒性作用。本實驗室以卵白蛋白為原料通過水熱法制得了熒光量子產(chǎn)率高達34.5%的碳點，經(jīng)噻唑藍（methyl thiazolyl tetrazolium，MTT）和CCK-8等方法表明該碳點具有較高的生物安全性，可應(yīng)用于小鼠成骨細胞的成像[51]。綜上，食品源碳點的高光致發(fā)光性、良好生物相容性、高光學(xué)穩(wěn)定性和低毒性等優(yōu)點，使其很可能成為傳統(tǒng)染料的優(yōu)良替代品，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。

圖 7 MTT測定的細胞存活率和MG-63細胞[26]Fig. 7 Cell viability measured by methyl thiazolyl tetrazolium and observation of MG-63 cells with laser scanning confocal microscope[26]

4.4 催化

碳點的催化性質(zhì)在綠色化學(xué)、環(huán)境學(xué)、新能源等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。Li Haitao等[67]將葡萄糖水溶液經(jīng)超聲處理1 h后得到碳點，在堿性條件下加入CuSO4溶液和聚乙烯吡咯烷酮溶液，超聲過濾后得到碳點-Cu2O，該絡(luò)合物在紫外光或紅外光的照射下可以加速降解亞甲基藍。Zhu Chengzhou等[20]以豆?jié){為原料通過水熱法制得了N-碳點，并通過實驗證實該N-碳點可以對氧化還原反應(yīng)有電催化作用，其中，氮的摻雜在提高碳點的催化活性過程中起到了關(guān)鍵作用。這些結(jié)果表明，碳點在光電領(lǐng)域作為催化劑具有廣闊的前景，研究者可以圍繞催化機制，在進一步提高碳點的催化活性等方面繼續(xù)探索。

4.5 熒光油墨

目前已有很多熒光材料應(yīng)用于噴墨打印中，比如單壁碳納米管、熒光素和發(fā)光CdTe納米晶/聚合物復(fù)合材料等。Wang Jing等[50]為了保證最終所得碳點的低毒性和生物相容性，選擇雞蛋為原料制備碳點，利用熱解碳化的方法制得了蛋白、蛋黃兩種原料下的碳點，再將其與乙二醇混合得到熒光油墨，應(yīng)用于噴墨打印和絲網(wǎng)印刷，這是碳點作為熒光油墨在絲網(wǎng)印刷技術(shù)中的首次嘗試。該熒光油墨打印出的圖案清晰且在紫外燈下顯示出藍色熒光，而未來將會有更多的食品源碳點作為熒光油墨獲得更為廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié) 語

本文系統(tǒng)地歸納了合成碳點的食品原料，重點論述了食品源碳點的制備方法、結(jié)構(gòu)與組成、光學(xué)性質(zhì)和生物毒性，圍繞食品源碳點在食藥檢測、生物成像、催化、印刷油墨等方面的應(yīng)用進行了總結(jié)。目前鮮有圍繞合成碳點的食品原料進行展開的文獻綜述，本文彌補了這方面的空缺，有助于推進食品原料在碳點合成領(lǐng)域的應(yīng)用。盡管研究人員在尋找綠色原料、探尋新的合成方法和應(yīng)用方面已取得很大的進展，但碳點作為一種新型的熒光納米材料仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。首先，關(guān)于其基本的光致發(fā)光機制仍然難以解釋，還需進一步地研究和闡明;其次，在原料選擇方面，綠色易得的原料成為碳點合成的研究熱點，研究人員可以進一步地利用食品加工中的下腳料或其他更加廉價的生物源廢棄物，并注意對制備碳點過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物的綜合利用;目前碳點的制備及其應(yīng)用主要是在實驗室環(huán)境下進行，如何優(yōu)化合成工藝以提高碳點應(yīng)用的重復(fù)性、穩(wěn)定性、特異性，從而投入工業(yè)化生產(chǎn)，也是研究人員將來努力探索的方向。