熒光碳量子點在食品分析中的研究進展

岳曉月 周子君 伍永梅 李 妍 黎金彩 白艷紅* 王建龍

1(鄭州輕工業(yè)大學食品與生物工程學院， 鄭州 450001) 2(西北農林科技大學食品科學與工程學院， 楊凌 712100)

1 引 言

碳量子點(CQDs)是一種新型的熒光碳納米材料[1]。2004年，Xu等[2]在單壁碳納米管分離純化過程中首次發(fā)現了CQDs。自此，CQDs的合成方法、熒光特性以及相關應用等方面的研究發(fā)展迅速。目前，合成CQDs最常用的方法為水熱法[3]。CQDs由于具有熒光強度高、耐光漂白、光穩(wěn)定性好、生物相容性好等優(yōu)點，近年來受到了極大的關注[4]，在生物成像[5]、生化分析[6]和光電催化[7]和食品分析[1]等領域得到廣泛應用。

本文綜述了CQDs熒光傳感器的檢測機理及其近年來在食品檢測中的應用等方面的最新研究進展，包括重金屬離子、食品添加劑、食源性致病菌、農獸藥殘留和食品營養(yǎng)成分檢測等，探討了CQDs在基礎和應用研究中面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢。

2 CQDs的熒光性質以及檢測機理

光致發(fā)光是CQDs重要的光學性質之一，目前報道的CQDs發(fā)光機理包括量子尺寸效應[8]、表面缺陷狀態(tài)[9]和分子態(tài)與類分子態(tài)[10～12]等。由于CQDs的合成原料來源范圍廣，制備方法多樣，包含多種復雜的成分和結構，很難通過比較文獻中的結果來形成統一的理論[13]，因此CQDs的熒光機理仍有待進一步研究。CQDs具有良好的熒光穩(wěn)定性，在連續(xù)長時間的激發(fā)光照射下，熒光發(fā)射穩(wěn)定[14]。此外，CQDs具有低毒性和良好的生物相容性?；谏鲜鰞?yōu)勢，CQDs熒光傳感器在食品分析領域引起了廣泛關注。CQDs的熒光傳感器主要基于熒光猝滅(on-off)[15]或熒光增強(on-off-on)原理[16]。使熒光猝滅或增強的機理主要包括內濾效應(IFE)[17]、熒光共振能量轉移(FRET)和光致電子轉移(PET)等。

2.1 內濾效應(IFE)

當待測物的吸收光譜和熒光探針的激發(fā)光譜或發(fā)射光譜有明顯重疊時，待測物可基于內濾效應，使熒光探針熒光猝滅[18]。Han等[18]以檸檬酸銨和硫氰酸銨為原料，采用水熱法制備了發(fā)射藍色熒光的CQDs。由于利福平的紫外-可見吸收光譜和CQDs的熒光激發(fā)光譜有明顯的重疊，因此,利福平可以通過內濾效應顯著地猝滅CQDs的熒光，根據此原理建立了檢測利福平的方法，檢測范圍為0.43～49 mg/L， 檢出限低至0.13 mg/L。Han等[19]利用水溶性熒光CQDs(PCQDs)為探針，開發(fā)了一種新的pH響應型可逆熒光納米開關，選擇性地檢測4-硝基酚(4-NP)，線性檢測范圍為0.5～60 μmol/L， 檢出限為0.26 μmol/L。由于4-NP的吸收峰和PCDQs的熒光激發(fā)峰幾乎完全重疊， 4-NP檢測機理為內濾效應，該方法已成功應用于實際水樣中4-NP的檢測。此外，該研究組還開發(fā)了一種基于聚酰胺薄膜的便攜式4-NP視覺檢測傳感器，為現場和資源貧乏環(huán)境下4-NP的檢測提供了新思路。

2.2 熒光共振能量轉移(FRET)

當熒光探針的發(fā)射光譜(供體)和另一基團的吸收光譜(受體)有一定的重疊，并且兩者距離合適時(一般小于10 nm)，可觀察到熒光能量由供體向受體轉移的現象，即發(fā)生FRET[20]。Liu等[21]制備了一種雙色CQDs檢測水中的Cu2+，基于Cu2+與藍色CQDs之間發(fā)生的FRET，導致藍色CQDs的熒光猝滅，實現對Cu2+的檢測。另外，該團隊采用雙色CQDs制備了熒光檢測試紙，實現了對Cu2+的可視化半定量檢測。Yang等[22]以蘆薈為原料，采用雜原子化學摻雜法制備了N、Cl元素共摻雜的熒光CQDs(N, Cl-FCQDs)，開發(fā)了一種基于FRET檢測檸檬黃的方法，檢測濃度范圍為0.1～30 μmol/L，檢出限為 48 nmol/L，并成功用于食品樣品中檸檬黃的測定。

2.3 光致電子轉移(PET)

PET是指電子供體或電子受體受光激發(fā)后，激發(fā)態(tài)的電子給體與電子受體之間發(fā)生電子轉移，從而導致熒光猝滅的過程[23]。Liu等[24]合成了一種CQDs用于檢測Cu2+，根據光致發(fā)光、紫外-可見吸收光譜和時間分辨光致發(fā)光光譜等的測量結果，證實了PET過程中CQDs作為電子供體，將電子轉移到Cu2+與CQDs結合的填充軌道中，導致CQDs的熒光猝滅。Xu等[25]提出了一種基于雙發(fā)射CQDs的熒光檢測方法。在光致電子轉移效應的作用下，藍色熒光CQDs(b-CQDs)在450 nm處的熒光被Fe3+猝滅，而黃色熒光CQDs在550 nm處的熒光發(fā)射峰未受影響，可作為內標信號。將此雙發(fā)射熒光探針用于Fe3+和PPi的檢測中，檢測濃度范圍分別為1.0～60.0 μmol/L和0.1～120 μmol/L，檢出限分別為0.28 μmol/L和0.032 μmol/L，并成功用于生物樣品中Fe3+和PPi的測定。該探針為生物檢測應用提供了一個簡單、靈敏、環(huán)境友好的平臺。

2.4 其它檢測機理

3 CQDs在食品分析中的應用

CQDs由于其成本低、易制備、優(yōu)異的光學性能、良好的生物相容性以及低毒性等優(yōu)點，被廣泛用于食品分析領域。

3.1 在重金屬離子檢測中的應用

重金屬離子由于其不可降解性和生物累積性，對人體危害極大[29]。檢測重金屬離子的傳統方法存在耗時長、操作復雜、需要昂貴的大型儀器等缺點。相比之下，CQDs熒光傳感器具有高靈敏度、良好的選擇性且操作簡單， CQDs與某些金屬離子之間的相互作用可導致CQDs熒光猝滅，可用于重金屬離子的檢測。Wang等[30]提出了一種基于CQDs和金納米粒子(AuNP)的比色傳感器，建立了基于聚集-分散-聚集或者藍-紅-藍模式的Ag+檢測方法(圖1)。該方法檢測Ag+的濃度范圍為100～4000 nmol/L，檢出限為50 nmol/L，并成功用于自來水和湖水中Ag+的測定。Li等[31]提出了一種基于銅納米團簇(CuNCs)和氮摻雜CQDs的新型熒光比色法檢測紫菜中Pb2+。由于Pb2+與CuNCs之間的聚集誘導發(fā)射增強(AIEE)作用，使CuNCs的熒光增強。 而CQDs與Pb2+共存時，熒光幾乎沒有變化，因此CQDs可以提供自校準信號。根據CuNCs和CQDs之間熒光強度比值的變化檢測Pb2+，檢測濃度范圍為0.010～2.5 mg/L，檢出限為0.0031 mg/L。本研究為紫菜中Pb2+的檢測提供了一種直觀、穩(wěn)定、靈敏的方法。由于不同CQDs表面官能團不同，不同金屬離子和CQDs相互作用的方式不同，因此選擇合適的CQDs對重金屬離子的檢測十分重要。

圖1 在GSH存在下CQDs誘導AuNP穩(wěn)定聚集的比色傳感機理[30]Fig.1 Illustration of colorimetric sensing mechanism based on the stable aggregation of gold nanoparticle (AuNP) triggered by carbon quantum dots (CQDs) in the presence of glutathione (GSH)[30]

3.2 在食源性致病菌檢測中的應用

食源性致病菌是指以食物為傳播媒介的致病性細菌，常見的食源性致病菌主要有大腸桿菌[32]、沙門氏菌[33]、金黃色葡萄球菌[34]等。人食用含有食源性致病菌的食品后會出現嘔吐、腹瀉、腸道感染等癥狀，嚴重的可導致神經系統受損、致癌、致突變等。近年來，因為食品中食源性致病菌而引發(fā)的食品安全事故屢次發(fā)生。因此，發(fā)展食品中食源性致病菌檢測技術十分重要。

大腸桿菌常殘留在未煮熟的香腸或未經高溫消毒的牛奶、生菜、蘋果汁等食物中，若被人食用可引起腸胃炎，可能并發(fā)出血性結腸炎或溶血性尿毒綜合征和腎衰竭等[35]。Ahmadian-Fard-Fini等[36]利用葡萄、檸檬、姜黃提取物一鍋水熱法合成了藍色CQDs，結合Fe3O4納米粒子，制備了一種新型熒光納米復合材料，用于檢測大腸桿菌。結果表明，隨著大腸桿菌數量的增加，藍色CQDs的熒光逐漸被猝滅，熒光淬滅強度和大腸桿菌的濃度呈現良好的線性關系，檢測大腸桿菌的濃度范圍為0～9×107CFU/mL。

Choi等[37]以二醇修飾熒光探針(染料)與苯硼酸功能化熒光碳點(FCQDs)構建納米傳感器，基于熒光共振能量轉移效應， FCQDs的熒光被猝滅。當樣品中存在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌時，細菌細胞表面多糖的二醇基團與FCQDs形成新的環(huán)硼酸酯鍵，取代了染料分子，染料分子釋放到溶液中，導致FCQDs的熒光恢復，以此實現大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的檢測。

雖然目前基于CQDs的熒光傳感器在檢測食源性致病菌方面表現出靈敏性高、耗時短的優(yōu)勢，但大多數方法只能檢測單一致病菌。因此，建立更高效更快捷，且能夠用于多種食源性致病菌同時檢測的方法是未來的研究方向。

3.3 在食品添加劑檢測中的應用

食品添加劑可以改善食品外觀、氣味，延長食品保質期等[38]，廣泛應用于食品工業(yè)中。食品添加劑如過量或者不當使用，可能會導致食物中毒、器官受損、細胞病變，甚至導致癌癥[39]。因此，建立快速高效的食品添加劑檢測方法非常關鍵。

單寧酸(TA)作為一種食品添加劑，對飲料和葡萄酒的風味和品質起著至關重要的作用。TA對人體有一定的益處，但食品中TA含量過高，會對人體產生不良影響，而且可能會導致口感不佳，降低產品質量[40]。Yang等[41]以木聚糖和支化聚乙烯亞胺(BPEI)為原料，采用微波輔助法制備了聚胺功能化CQDs(BPEI-CQDs)。BPEI-CQDs可作為一種新型熒光探針用于TA的檢測。在最佳實驗條件下，檢測水溶液和乙醇中TA的濃度范圍為0.1～5 μmol/L，檢出限分別為36.8 nmol/L和44.9 nmol/L。

叔丁基對苯二酚(TBHQ)是食用油中廣泛使用的合成酚類抗氧化劑之一，具有抗氧化能力強、成本低、化學穩(wěn)定性好的特點，但過度使用會對食品質量和食用者健康產生負面影響[42]。Yue等[43]以檸檬酸為原料使用微波加熱法合成了發(fā)射藍色熒光的CQDs。其檢測TBHQ的機理如圖2所示，由于光致電子轉移效應，當Fe3+加入CQDs溶液后，CQDs熒光被猝滅； 而再加入TBHQ時，TBHQ可與Fe3+發(fā)生絡合反應， Fe3+脫離CQDs，使CQDs的熒光恢復，以此實現TBHQ的超靈敏、高選擇性檢測。檢測TBHQ濃度范圍為0.5～80 μg/mL，檢出限為0.01 μg/mL。本方法用于食用油中TBHQ的檢測，回收率為94.29%～105.82%，適用于復雜食品基質中TBHQ的超靈敏檢測。

基于CQDs的熒光分析法具有操作簡單和抗干擾能力強等優(yōu)點，近年來被逐漸應用于食品添加劑的檢測, 通過改進實際樣品的預處理過程，可以進一步提高檢測的靈敏度和選擇性。

圖2 抗氧化劑特丁基對苯二酚熒光傳感器檢測過程原理[43]Fig.2 Sensing principle of fluorescent detection process for tertiary butylhydroquinone (TBHQ)[43]

3.4 在農藥殘留檢測中的應用

農藥的過度或者不合理使用會導致農藥殘留，給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重威脅[44]，殘留在糧食等作物中的農藥，也會進一步影響食品質量，進而對消費者健康造成影響。檢測農藥殘留的傳統方法為色譜方法以及色譜-質譜聯用法等，雖然靈敏度高、準確性好，但操作復雜、耗時長，而基于CQDs的熒光分析法用于檢測食品中的農藥殘留可以克服上述不足。

甲基硫菌靈(TM)廣泛用于農作物的各種病害防治以及收獲后的糧食儲存，但長期接觸TM可能存在致畸、致癌等風險，美國已禁止使用[45]。 Han等[46]利用雙發(fā)射Cu2+觸發(fā)的CQDs為熒光探針，用于TM的超靈敏檢測，檢測范圍為0.1～20 μmol/L，檢出限為2.90×10-6μmol/L。該傳感器在實際應用中具有良好的準確度和精密度，回收率為88.33%～101.09%，RSD為1.61%～5.06%，可用于復雜基質中TM殘留的超靈敏檢測。

有機磷農藥(OPPs)以其高效、低成本等特點，在農業(yè)生產中廣泛應用。OPPs可以抑制乙酰膽堿酯酶的活性，進入人體后可導致器官衰竭，危害消費者健康[47]。Huang等[48]基于氮摻雜CQDs(N-CQDs)和2,3-二氨基苯那嗪(DAP)間的內濾效應，制備了一種高靈敏的比率型熒光探針，用于檢測食品中的OPPs, 其中，甲基對硫磷的檢出限為13 ng/g。進一步驗證了比率型熒光探針對食品樣品中OPPs的檢測效果，結果與GC-MS吻合較好，該方法可用于實際樣品檢測。傳統的單發(fā)射熒光探針會受到生物背景、儀器、環(huán)境條件和熒光探針的干擾，而比率型熒光探針克服了上述缺點，在農藥殘留檢測中具有更高的抗干擾性。因此，基于CQDs的比率型熒光傳感器具有良好的發(fā)展前景。

3.5 在獸藥殘留檢測中的應用

抗生素作為常用的獸藥，廣泛用于抑制細菌感染和治療動物疾病。長期過量使用抗生素，會使抗生素在動物體內積累，進而影響食品質量和安全[49]。目前，傳統檢測方法難以滿足食品中抗生素殘留的快速、高靈敏檢測要求。因此，開發(fā)高靈敏和可靠的分析方法檢測動物源性食品中抗生素殘留已成為研究的重點。

四環(huán)素(TCs)可用于治療革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌引起的人和動物感染，而殘留于牛奶[50]、蜂蜜[51]等動物源性食品的TCs，會導致人體的不良過敏反應、胃腸紊亂和肝中毒，并能夠促進細菌對抗生素的耐藥性[52]。Miao等[53]以煙草為碳源，采用水熱法合成CQDs，制備了一種熒光傳感器，可選擇性檢測三種不同類型的四環(huán)素(四環(huán)素、氧四環(huán)素、氯四環(huán)素)，對四環(huán)素、氧四環(huán)素、氯四環(huán)素的檢出限分別為5.18、14和6.06 nmol/L。研究發(fā)現，帶隙的變化是由3種四環(huán)素在C7和C5的取代基不同引起的?；谠撛磉€制備了抗生素熒光檢測試紙條。

圖3 基于MoS2和CQDs間的FRET的卡那霉素傳感策略示意圖[54]Fig.3 Schematic representations of kanamycin sensing strategy based on fluorescence resonance energy transfer between MoS2 and CQDs [54]

Wang等[54]利用CQDs和二硫化鉬(MoS2)納米片之間的FRET，發(fā)展了基于適配體的快速熒光法檢測卡那霉素(圖3)。該檢測策略首先利用CQDs上連接的單鏈DNA的堿基與MoS2納米片之間的范德華力，將連接有適配體的CQDs組裝到MoS2納米片表面，并通過FRET使CQDs熒光猝滅; 隨著卡那霉素的加入，適配體和卡那霉素的特異結合能力更強，CQDs從MoS2納米片表面脫離，釋放到溶液中，CQDs的熒光恢復。該方法檢測卡那霉素的濃度范圍為4～25 μmol/L，檢出限為1.1 μmol/L，方法具有良好的特異性，牛奶中卡那霉素的回收率為85%～102%，可有效檢測牛奶和其它動物源性食品中卡那霉素。

雖然基于CQDs的熒光傳感器在檢測抗生素方面具有靈敏度高、快速、簡便等許多優(yōu)點，但許多抗生素具有熒光特性，可能會影響CQDs的檢測。因此，應進一步提高CQDs在抗生素檢測方面的抗干擾能力。

3.6 在營養(yǎng)成分檢測中的應用

某些金屬離子與CQDs的相互作用可以導致CQDs的熒光被猝滅，而許多營養(yǎng)物質具有金屬螯合能力，加入到含有這些金屬離子的CQDs溶液中，可以使CQDs的熒光恢復，因此可以利用這一原理構建檢測食品中營養(yǎng)成分的熒光增強型傳感器。

維生素C即抗壞血酸(AA)是一種水溶性維生素，可以促進膠原蛋白形成、治療壞血病、預防牙齦出血等，但過量攝入也會對人體造成危害。Ma等[55]以活性炭為原料制備了發(fā)射黃色熒光的CQDs，并基于此CQDs設計了一種快速、簡單的檢測AA的方法。Cu2+能使CQDs熒光猝滅，加入AA后，AA可以將Cu2+還原為Cu+，使CQDs的熒光恢復，基于此可檢測AA，濃度檢測范圍為100～2800 μmol/L，檢出限為60 μmol/L。該探針可用于維生素C片、橙汁、鮮橙等實際樣品的檢測，為實際樣品中AA的檢測提供了一種簡便方法。

還原性谷胱甘肽(GSH)是一種內源性抗氧化劑和自由基清除劑，能與自由基和重金屬結合，將有害物質轉化為無害物質，并從體內排出。人體中GSH水平異常可能導致許多疾病，如阿爾茨海默癥、 癌癥和心血管疾病等[56]。Zhang等[57]以葡萄糖和聚乙烯亞胺為原料，采用水熱法合成了一種支化聚乙烯亞胺功能化CQDs(PEI-CQDs)，由于PEI-CQDs的熒光可以被Cu2+有效猝滅，GSH的加入可使上述體系熒光恢復。在此基礎上，利用PEI-CQDs-Cu2+系統開發(fā)了一種熒光方法，用于GSH的檢測。GSH的低濃度檢測范圍為0～80 μmol/L，高濃度檢測范圍為0～1400 μmol/L，相對應的檢出分別為0.33和9.49 μmol/L。與傳統的GSH檢測探針相比，PEI-CQDs-Cu2+系統的一個顯著優(yōu)點是可以同時用于低濃度和高濃度的GSH的檢測。由于食品成分的復雜性，實際樣品檢測時會影響檢測結果的準確性。因此，選擇合適的實際樣品預處理方法以及穩(wěn)定性和選擇性更好的CQDs十分必要。

3.7 食品中其它分子的檢測

三聚氰胺常用于化學工業(yè)，作為合成塑料、涂料、皮革、油漆等的原材料。由于其含氮濃度高(66%)，不良商家將三聚氰胺非法添加到牛奶中，以增加表觀蛋白含量[58]。Hu等[59]以AuNPs和CQDs合成納米復合材料(Au@CQDs)，用于牛奶中三聚氰胺的可視化分析。隨著三聚氰胺濃度的增加，CQDs在紫外光激發(fā)下發(fā)射出明亮的綠色熒光，CQDs的強熒光發(fā)射是由于其表面約束電子和空穴的輻射再結合。而與AuNPs形成復合材料后，由于CQDs表面的空穴和電子被AuNPs占據，CQDs表面的電子空穴復合過程被破壞，導致熒光被猝滅。加入三聚氰胺后，三聚氰胺可以通過氫鍵與AuNPs相互作用，導致AuNPs聚集，CQDs從AuNPs表面釋放，熒光增強，以此檢測三聚氰胺的含量，檢測范圍為1～10 μmol/L，檢出限為12 nmol/L。該研究組提出了一種可視化檢測牛奶中三聚氰胺的方法，可應用于現場檢測。

4 結論和展望

基于CQDs的熒光檢測方法在食品分析中具有廣闊的應用前景。對于食品分析的實際應用而言，仍有很多問題需要解決。目前，基于CQDs的檢測方法大多只能檢測一種分析物，因此， 開發(fā)可同時檢測多種分析物的基于CQDs的納米傳感器是未來的重要發(fā)展趨勢之一。此外，基于CQDs的熒光傳感器多采用單一熒光強度作為響應信號，容易受到儀器誤差、溶劑等實驗因素的影響。與單一信號的熒光傳感器不同，比率型熒光傳感器可以在很大程度上減少上述干擾，通過兩種熒光強度的自校準實現更高的分析準確度，并且比率型熒光法多伴隨肉眼可見的顏色變化，可用于快速的可視化識別檢測。未來基于CQDs在食品檢測中的應用研究，應著重于開發(fā)多組分可視化便攜式檢測技術。