碳量子點的制備及其在食品安全檢測方面的應(yīng)用

火興妍，劉荔貞，李海紅，馮鋒,

1. 山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院（臨汾 041000）；2. 山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院（大同 037000）

碳量子點（CDS）又稱碳點，是一種大小10 nm以下的零維熒光準球形納米粒子。自2004年Xu等[1]分離純化單壁碳納米管時首次被發(fā)現(xiàn)以來，CDS的性質(zhì)、合成及應(yīng)用得到廣泛研究。CDS的性質(zhì)主要包括激發(fā)/pH依賴性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐光漂白性等。近年來，在微波輻射和超聲波等方法的輔助下，以小分子和可再生資源為前體，提出幾種新的合成方法，CDS合成方法的改變?yōu)楦咝ЬG色CDS的制備提供新思路。雖然有較多研究聚焦CDS在檢測方面應(yīng)用，但很少介紹CDS熒光探針在食品安全檢測中的應(yīng)用。不同類型食品污染物，包括農(nóng)藥、抗生素和違禁添加劑等，都可用CDS熒光探針檢測，表明其可廣泛應(yīng)用于食品分析。因此，對相關(guān)文獻進行總結(jié)，介紹CDS性質(zhì)和合成方法，對CDS在食品安全檢測方面應(yīng)用進行詳細且全面綜述，有助于CDS傳感體系深度開發(fā)。

1 CDS性質(zhì)

作為新型碳納米材料，CDS具有獨特的發(fā)光性質(zhì)，其發(fā)射波長和熒光強度具有明顯激發(fā)波長依賴性，這種性質(zhì)與CDS表面官能團及大小有關(guān)。CDS具有pH依賴性，溶液pH變化會顯著影響CDS熒光強度。CDS還表現(xiàn)出上轉(zhuǎn)換發(fā)光的性質(zhì)及優(yōu)異的耐光漂白性，提高光子組織穿透率的同時能有效克服有機染料易光漂白的缺點。此外，不同方法和不同碳源合成的CDS表面含有大量—OH，—COOH等水溶性基團，因此可直接分散在水溶液中。而光穩(wěn)定性好是CDS的另一大優(yōu)勢，高的光穩(wěn)定性能夠克服傳統(tǒng)熒光材料光衰弱和光閃爍現(xiàn)象。與傳統(tǒng)含金屬量子點不同，CDS主要含有C、O、H和N這4種元素，意味著CDS具有低毒性和良好生物相容性，不會毒害細胞和組織，因此CDS在食品安全檢測方面表現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。

2 CDs合成

制備CDs的合成路線可分為“自上而下”和“自下而上”兩類?！白陨隙隆狈ㄊ峭ㄟ^分解更大的碳結(jié)構(gòu)，如石墨粉末、石墨氧化物、碳納米管等，將其轉(zhuǎn)化為納米的碎片，主要包括激光消融法、電弧放電法、電化學(xué)法等；“自下而上”法是通過燃燒或熱處理小分子前體制備CDs，主要包括熱解法、微波輔助法、水熱法、超聲輔助法等。與傳統(tǒng)的制備方法如電化學(xué)氧化和激光消融法比較，水熱法和微波輻射等合成方法因其合成可控、設(shè)備簡單、節(jié)能環(huán)保，應(yīng)用最為廣泛。

2.1 水熱法

水熱法通過在高壓反應(yīng)釜內(nèi)直接加熱含有碳源的溶液制備CDs，由于其操作簡單而成為近年來最流行的方法，尿素、檸檬酸等多種小分子被用于制備CDs。Zhu等[2]使用檸檬酸和乙二胺分別作為碳源和氮源，采用水熱法在150～300 ℃下處理5 h制備QY（量子產(chǎn)率）80%的N-CDs。Zeng等[3]通過水熱處理L-絲氨酸和L-胱氨酸，在200 ℃下加熱5 h，得到平均粒徑2.6 nm的N, S-CDs，其QY為7%。然而，基于這些小分子合成的CDs會受到高成本和資源浪費的阻礙。水熱法處理可再生資源，被認為是一種獲得CDs的理想途徑。有研究利用荔枝皮[4]、甜椒[5]、馬櫻丹[6]等可再生資源在180 ℃下分別制備QY 20.1%，19.3%和33.15%的CDs，其中通過荔枝皮制備的CDs大小分布在40～70 nm較寬的范圍內(nèi)。盡管存在多種合成前體，但水熱法仍存在一些缺陷，如反應(yīng)溫度較高、制備時間較長等。

2.2 溶劑熱法

溶劑熱法是一種在有機溶劑中加熱有機分子制備CDs的方法，也是一種操作簡單高效的方法，CDs很容易通過前體的聚合和碳化合成。多種有機分子被用于通過溶劑熱處理制備CDs。Li等[7]通過溶劑熱處理無煙煤和二甲基甲酰胺溶液合成粒徑4.7 nm、QY 47%的N-CDs。Shan等[8]以BBr3為硼源，對苯二酚為前驅(qū)體，采用溶劑熱法在180 ℃下制備QY 14.8%的B-CDs。盡管操作簡單，但該方法受到有機溶劑毒性和較高反應(yīng)溫度的限制。

2.3 微波輔助法

微波輔助法是通過向前體溶液提供有效和均勻的能量加速CDs制備的方法，它的主要優(yōu)點是節(jié)能省時。Zhu等[9]首次在500 W微波爐中處理聚乙二醇和糖溶液（葡萄糖、果糖等），幾分鐘內(nèi)合成CDs。多種基于微波輻射的合成方法得到研究。據(jù)Wang等[10]報道，在100 W微波爐中處理檸檬酸和氨溶液溶，反應(yīng)時間7 min時合成大小1.8 nm的N-CDs，其QY為44.3%。此外，利用可再生資源，如木梨[11]制備出QY 8.55%的CDs。使用微波法制備CDs時，控制反應(yīng)時間是關(guān)鍵，因為短的輻射時間不足以完成碳化，而長的輻射時間會破壞CDs的表面結(jié)構(gòu)。

2.4 超聲輔助法

超聲輔助法是一種公認的外部能耗低和能夠提高前體反應(yīng)活性的方法，可作為一種新的制備途徑。Ma等[12]開發(fā)一種一步超聲輔助合成方法，以葡萄糖和氫氧化銨為前驅(qū)體，反應(yīng)24 h制備出N-CDs，該N-CDs的熒光發(fā)射可覆蓋整個可見光至近紅外光譜范圍。研究發(fā)現(xiàn)，用超聲輔助法合成的CDs均可呈現(xiàn)從可見光至近紅外光譜范圍的強熒光和上轉(zhuǎn)換熒光。

水熱法是應(yīng)用最廣泛的合成方法，最佳加熱溫度一般為180或200 ℃，微波輔助法也為CDs合成提供好處，如簡單、低成本、反應(yīng)時間短等。多種小分子和可再生資源被用于制備CDs，豐富了CDs合成途徑。與小分子相比，可再生資源更適合制備大尺寸的CDs，但這些CDs往往表現(xiàn)出相對較低的QY。高QY（80%以上）的CDs通常要用小分子制備，如檸檬酸和乙二胺[2]。檸檬酸是制備高QY的CDs的關(guān)鍵前體，這可能是由于其成核能力。研究發(fā)現(xiàn)摻雜雜原子是提高碳量子點QY的有效途徑之一，通過選擇含有N、P、S、B等原子的前體制備出大量摻雜型碳量子點。雜原子的摻雜可改變CDs的電子結(jié)構(gòu)，在其表面產(chǎn)生更多活性位點，對提高CDs的QY有很大幫助。

3 CDs在食品安全檢測中的應(yīng)用

食品中的化學(xué)污染物，如金屬離子、殺蟲劑和違禁添加劑等，對生態(tài)環(huán)境及人體健康構(gòu)成嚴重威脅。為保證人體健康，需要發(fā)展更靈敏和準確的方法來檢測食品中化學(xué)污染物。在食品安全檢測方面已開發(fā)一些基于CDs的熒光探針，其設(shè)計主要有3種策略：一是分析物與CDs直接相互作用，導(dǎo)致CDs熒光猝滅或增強，在早期，大多數(shù)被用來檢測金屬離子；二是通過CDs的后功能化實現(xiàn)，這需要特定的受體與CDs結(jié)合，以構(gòu)建具有高靈敏度和特異性的熒光納米傳感器；三是利用CDs與其他物質(zhì)（猝滅劑、熒光團等）結(jié)合來作為傳感材料，如已猝滅的CDs復(fù)合物的熒光會由于猝滅過程的中斷和猝滅劑與目標物的結(jié)合而使CDs熒光恢復(fù)，其中最常見的是一些金屬離子通過與CDs表面的靜電相互作用和電子轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)CDs熒光猝滅，添加分析物后，由于分析物與金屬離子之間具有較強的螯合作用，CDs的熒光逐漸恢復(fù)，最終實現(xiàn)對分析物的定量分析。依據(jù)這3種策略，基于CDs的熒光探針被設(shè)計并應(yīng)用于熒光傳感檢測。

3.1 金屬離子

一些常見的金屬離子，如鉛（Pb2+）、汞（Hg2+）和銅（Cu2+）離子，它們通過食物鏈在人體內(nèi)的積累而引起各種健康問題，因此金屬離子檢測是食品安全檢測中必不可少的一部分?；贑Ds的熒光分析方法因具有操作簡單、成本低、靈敏和準確等優(yōu)點，被廣泛用于檢測金屬離子。Meng等[13]報道一種基于CDs熒光猝滅的Hg2+的檢測方法，在濃度0～48.6 μmol/L范圍內(nèi)，獲得較好的線性范圍，檢出限達0.118 μmol/L。Bhatt等[14]通過水熱處理Tulsi葉制備出對Cr6+敏感的CDs。同時，CDs表面的官能團，包括—OH、—NH2和—COOH也與Fe3+、Cu2+和其他金屬離子具有親和力，導(dǎo)致熒光猝滅/增強。一些金屬離子，包括Hg2+、Fe3+、Cu2+、Ag+、Al3+、Pb2+和Co2+均得到定量檢測。

將CDs熒光探針用于實際樣品中（如自來水和河水）金屬離子的測定，獲得滿意的回收率，表明基于CDs的納米傳感器是有潛力的分析平臺。在檢測實際樣品前，對CDs熒光探針進行選擇性分析是必要的，不同種類CDs對一種金屬離子的選擇性強于其他金屬離子，一般不會受其他金屬離子共存的影響。Gao等[15]制備的硅摻雜的CDs可高靈敏度和選擇性檢測Fe3+，而其他金屬離子（Pb2+、Mn2+、Ag+、Fe2+、Mg2+、Cd2+、Cr3+、Ca2+、Ba2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+）對CDs熒光強度影響較小，即使在活細胞，CDs依然可以靈敏和選擇性地定量檢測Fe3+。CDs對一種金屬離子的高選擇性可能是由于這種金屬離子與CDs表面基團之間具有更強的親和力或更快的配位能力。

與傳統(tǒng)檢測方法相比，基于CDs的納米傳感器在靈敏度和選擇性方面具有明顯優(yōu)勢。然而，報道的基于CDs的熒光探針主要集中在幾種金屬離子檢測上，由于復(fù)雜的樣品處理過程，只有少數(shù)應(yīng)用于實際食品樣品分析。

3.2 農(nóng)藥殘留

農(nóng)藥長期不合理的使用導(dǎo)致食品中有較高的農(nóng)藥殘留量，殘留農(nóng)藥直接或間接地威脅人類的健康。目前已有許多研究基于CDs與酶、金屬離子或納米粒子復(fù)合物的熒光探針，且已應(yīng)用于農(nóng)殘檢測。

基于農(nóng)藥對酶活性的抑制作用，開發(fā)了酶抑制型CDs熒光探針來檢測農(nóng)藥。Li等[16]報道一種基于AChE酶抑制型CDs熒光納米傳感器檢測農(nóng)藥，首先乙酰膽堿（ACh）在乙酰膽堿酯酶（AChE）催化下轉(zhuǎn)化為膽堿，然后膽堿被膽堿氧化酶（ChOx）進一步氧化成甜菜堿，同時伴隨著熒光猝滅劑H2O2形成，由于許多農(nóng)藥抑制AChE的活性使H2O2無法生成，導(dǎo)致熒光恢復(fù)，從而能夠靈敏地檢測農(nóng)藥。借助酶的催化作用和金屬離子的熒光猝滅效應(yīng)也可以檢測農(nóng)藥。Hou等[17]首次構(gòu)建基于CDs-Cu2+復(fù)合物的熒光傳感器用于檢測敵敵畏，CDs的熒光會被Cu2+猝滅，而將AchE引入體系后會產(chǎn)生硫代膽堿（TCh），由于TCh與Cu2+之間的特異性反應(yīng)使熒光恢復(fù)，加入敵敵畏后，CDs的熒光再次被猝滅。此外，納米顆粒如AgNPs、AuNPs、量子點也通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）或內(nèi)濾（IFE）效應(yīng)作為對CDs熒光猝滅劑，納米離子對熒光CDs的猝滅效應(yīng)已對多種農(nóng)藥，如樂果、毒死蜱和對硫磷進行定量分析。

3.3 食品中的添加劑

食品添加劑因能提高食品口味、保質(zhì)期等被廣泛用于食品加工中，但其濫用已成為一個潛在的事實，因此開發(fā)快速、靈敏的檢測方法至關(guān)重要。在這些策略中，基于CDs的熒光傳感器引起關(guān)注。Yang等[18]建立一種基于碳量子點熒光猝滅檢測日落黃的方法，因為CDs表面含有大量氨基，日落黃含有酚羥基，因此它可通過氫鍵連接到CDs表面，并猝滅CDs熒光，將該方法用于飲用水中日落黃檢測，可得到滿意的回收率。Lei等[19]和Dai等[20]建立一種基于碳量子點熒光恢復(fù)的三聚氰胺測定方法，Hg2+或AuNP納米粒子加入使CDs熒光猝滅，在體系中加入三聚氰胺溶液，CDs熒光恢復(fù)，且熒光恢復(fù)程度隨三聚氰胺濃度增加而加強。Su等[21]采用水熱法合成CDs，該CDs可靈敏檢測冷凍粉、冷凍醬和番茄醬樣品中的蘇丹I，同時蘇丹I對CDs熒光的猝滅效應(yīng)歸因于能量轉(zhuǎn)移?；跓晒庑盘柕淖兓?，多種CDs被用于檢測不同添加劑，同時在實際樣品中顯示出良好回收率。

3.4 抗生素

近年來，養(yǎng)殖業(yè)濫用抗生素導(dǎo)致食品中的高殘留量從而嚴重威脅到人類健康。大量研究基于CDs熒光猝滅、恢復(fù)或增強的分析方法檢測抗生素。四環(huán)素（TC）是一種常見的抗生素，能有效地抑制細菌的感染，Yang等[22]發(fā)現(xiàn)基于IFE效應(yīng)，TC可以快速有效地猝滅CDs熒光，從而實現(xiàn)對TC的靈敏測定，檢出限為9 nmol/L。Feng等[23]合成一種對TC敏感的CDs，利用CDs與TC之間的相互作用使其熒光猝滅。將該方法用于魚類和人尿中TC的檢測均得到良好回收率。除了TC及其衍生物外，頭孢菌素、環(huán)丙沙星、諾氟沙星也可根據(jù)CDs的熒光猝滅或增強進行檢測。雖然基于CDs熒光猝滅/增強的檢測原理簡單，但在某些情況下對其他抗生素的選擇性有限。

此外，F(xiàn)u等[24]利用CDs-Fe3+體系對氨芐青霉素進行高靈敏檢測，因為氨芐青霉素與Fe3+能在水溶液中形成復(fù)合物，隨著氨芐青霉素濃度增加，CDs-Fe3+體系熒光逐漸恢復(fù)，該方法已應(yīng)用于河水中氨芐青霉素檢測。類似方法對其他抗生素，如土霉素、多西環(huán)素、滅滴靈、鏈霉素、紅霉素也顯示出高選擇性，表明該方法對具有金屬螯合能力的抗生素檢測存在優(yōu)勢。

4 結(jié)語和展望

對CDs性質(zhì)、合成方法及在食品安全檢測中的應(yīng)用進展進行綜述，介紹CDs熒光探針在食品安全檢測中的應(yīng)用潛力。對CDs的研究應(yīng)用仍處于初步探索階段，其結(jié)構(gòu)組成、發(fā)光機理尚不十分明確。在合成制備方面，原材料來源廣泛且方法靈活簡便，但合成CDs的QY并不高，這也是CDs應(yīng)用受到限制的重要原因，因此通過尋找合適廉價的原材料，優(yōu)化合成及修飾方法，合成產(chǎn)率高、性能更優(yōu)越的CDs是使其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。在食品安全檢測應(yīng)用方面，基于CDs構(gòu)建的熒光探針由于具有響應(yīng)速度快、價格經(jīng)濟、無需昂貴復(fù)雜的儀器設(shè)備的特點，在該領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力。多種官能團的合理引入提高CDs傳感器在食品安全檢測中的選擇性，但由于食品樣品中具有各種復(fù)雜的化學(xué)和生物成分，排除其他復(fù)雜樣品的干擾去檢測特定目標物仍是一個挑戰(zhàn)，因此發(fā)展一種對特定目標物的識別具有較高親和力和選擇性的CDs熒光探針至關(guān)重要。在解決這些問題之后，CDs具有廣泛應(yīng)用前景，特別是在食品質(zhì)量和安全檢測方面。