基于碳量子點(diǎn)的熒光分析法在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用

王方玲

碳量子點(diǎn)（Carbon quantum dots，CQDs）是一種近年來出現(xiàn)的新型碳納米材料，具有優(yōu)秀的光學(xué)性質(zhì)，其以簡便的制備方法、生物毒性低的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用，受到了科研人員的重視?；贑QDs的熒光分析法作為一種新興的光譜分析方法，具有操作簡潔、靈敏度高、線性范圍寬、精密度高以及可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)通道或?qū)哿康奈镔|(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)等多種優(yōu)點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用到了食品檢測(cè)領(lǐng)域。本文分析了基于碳量子點(diǎn)的熒光分析法在食品檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)不同檢測(cè)對(duì)象的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望，旨在促進(jìn)食品安全檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為食品安全提供進(jìn)一步的保障。

一、碳量子點(diǎn)的熒光分析法概述

1.熒光分析法的基本原理。熒光分析法是指一類以光為主要激發(fā)來源，介于發(fā)射光譜法和吸收譜線法之間的光譜分析法，其能夠?qū)衔镏械母鞣N組分做出定性或定量分析。按照光譜分類的不同，熒光分析法可分為原子熒光分析法和原子基于碳量子點(diǎn)的熒光分析法。兩類分析法的基本原理相同，當(dāng)物質(zhì)在吸收了一定能量的光分之后，外部電子轉(zhuǎn)移至高能級(jí)的軌道上，使分子之間從基態(tài)變成了激發(fā)態(tài)。而由于處在激發(fā)態(tài)的分子之間能量是不穩(wěn)定的，所以其外部的電子便能夠同時(shí)經(jīng)由輻射躍遷和非輻射躍遷這兩條路徑，自發(fā)地返回低能級(jí)軌道。在此過程中，會(huì)有一些電能以光的形式出現(xiàn)，而這種形式的光線即為熒光。由于各種化學(xué)物質(zhì)所產(chǎn)生的熒光波長不同，因此可通過檢測(cè)物品所產(chǎn)生的熒光的不同對(duì)其進(jìn)行定性分析;在規(guī)定的物質(zhì)含量范圍內(nèi)，由于某些化學(xué)物質(zhì)所產(chǎn)生熒光的力度和水溶液中這種化學(xué)物質(zhì)的含量水平之間具有正比關(guān)聯(lián)，所以也可通過檢測(cè)物品的熒光力度對(duì)其在水溶液中的濃度變化進(jìn)行解釋。

2.熒光分析法使用的儀器。按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異，熒光分析方法所用的儀器設(shè)備一般包括分子熒光亮度計(jì)和熒光分光光度計(jì)兩類，兩種儀器設(shè)備的重要組成部分均為激發(fā)光源、分光系統(tǒng)、試樣池、測(cè)試體系等。為了防止激發(fā)光源對(duì)測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生影響，兩類儀表的檢測(cè)器和燈光的排布方向都成一定夾角。兩類儀器設(shè)備在分光體系的構(gòu)造上有所區(qū)別：在熒光亮度計(jì)中，常采用濾光鏡以減少雜散光和輻射光;而在熒光分光光度計(jì)中，光柵衍射等色散式的單色器件常被作為對(duì)進(jìn)入光和發(fā)出光波段的選擇。當(dāng)測(cè)量對(duì)象是分子時(shí)，需要選擇分子熒光亮度計(jì)作為分析方法的儀器設(shè)備。

二、基于CQDs的熒光分析法測(cè)量重金屬離子

食品中的重金屬離子容易導(dǎo)致人體慢性中毒，如果沒有及時(shí)檢測(cè)出食品中對(duì)人體有害的重金屬離子，一旦這些有害的重金屬離子被人體所攝入，就會(huì)在人體中慢慢累積，并損害人的機(jī)體，等到有癥狀發(fā)作的時(shí)候往往已經(jīng)處于中毒的晚期。所以，對(duì)重金屬離子的嚴(yán)格檢測(cè)是提高食品安全的重要內(nèi)容。目前常用的重金屬離子測(cè)定方式一般有下列幾類：色譜法、質(zhì)譜法、比色法等。然而以上檢測(cè)方法的缺點(diǎn)是操作不便、價(jià)格高昂、檢測(cè)速度慢，相對(duì)來說，采用CQDs的金屬熒光探測(cè)器是更加簡便、快速的檢測(cè)方法。

1. Hg2+的檢測(cè)。Hg2+中的化學(xué)物容易對(duì)人體的神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或者功能造成嚴(yán)重的損害。這種化學(xué)物質(zhì)能夠和蛋白質(zhì)的疏基進(jìn)行結(jié)合并產(chǎn)生出能夠降低酶活性的成分，進(jìn)而影響細(xì)胞正常的新陳代謝。例如著名的日本“水俁病”事件，就是因?yàn)閺墓S排出的廢水中含有大量的汞元素，進(jìn)入生態(tài)環(huán)境中后富集在魚體中，人類食用之后產(chǎn)生了中樞神經(jīng)系統(tǒng)的病變。研究發(fā)現(xiàn)，比率式熒光檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的抗環(huán)境干擾性能，能夠有效提高熒光分析的靈敏度和熒光檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.Cu2+的檢測(cè)。Cu2+對(duì)于人體的健康成長起著關(guān)鍵作用，人體一旦缺乏這種微量元素，人體細(xì)胞的新陳代謝功能、神經(jīng)元功能、血紅蛋白以及線粒體呼吸功能就會(huì)受到嚴(yán)重影響。但是，這種金屬離子也不能攝入過多，一旦攝入過多，就會(huì)對(duì)人體的腎臟和肝臟造成損害，嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)阿茲海默癥和帕金森病。研究證明，CQDs可以對(duì)Cu2+快速產(chǎn)生響應(yīng)，比較適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和快速檢測(cè)。

3. Fe3+的檢測(cè)。Fe3+對(duì)于人體的健康成長也起到非常重要的作用，如果人體缺少這種微量元素，輕則發(fā)生貧血，重則引發(fā)智力下降、阿茲海默癥、帕金森病、血色素沉著癥、糖尿病和癌癥等。它主要存在于人體的脾部、肺部以及肝臟的位置，但其實(shí)人身上的很多組織中都有它的身影。在檢測(cè)Fe3+的方法中，水熱法是一種較為合適的檢測(cè)方法，可以利用檸檬酸合成CQDs，F(xiàn)e3+通過與CQDs表面羥基發(fā)生非輻射電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)配位，從而使得CQDs熒光猝滅。該實(shí)驗(yàn)所制備的N-CQDs溶解度十分優(yōu)異，且具有穩(wěn)定性強(qiáng)、熒光強(qiáng)度高、生物毒性低的優(yōu)點(diǎn)。

三、基于CQDs的熒光分析法檢測(cè)獸藥殘留

在畜牧業(yè)，養(yǎng)殖戶為了防止動(dòng)物生病會(huì)大量使用抗生素，這些抗生素會(huì)殘留在動(dòng)物體內(nèi)，造成畜產(chǎn)品中有獸藥殘留。人們?nèi)糸L期食用含有獸藥殘留的動(dòng)物食品，會(huì)嚴(yán)重威脅人們的身體健康。由于CQDs的表面分布著大量親水基團(tuán)（羧 基、羥基），這使CQDs與抗生素的結(jié)合成為可能，研究發(fā)現(xiàn)，基于CQDs的熒光探針可以快速檢測(cè)抗生素的含量。

四、基于CQDs的熒光分析法檢測(cè)農(nóng)藥殘留

農(nóng)藥殘留是指農(nóng)藥在飲用水和食品中的留存。農(nóng)藥有著猛烈的毒性，能夠殺死植物中的病蟲害，也能夠?qū)θ梭w造成危害。農(nóng)藥在食品中的殘留即使?jié)舛群艿?，也能?duì)人體機(jī)能造成嚴(yán)重的損害，因此必須加強(qiáng)食品農(nóng)藥殘留檢測(cè)工作。研究學(xué)者Wu X L嘗試以商業(yè)葉綠素為對(duì)象，用水熱合成法合成出一種能夠調(diào)節(jié)的發(fā)射熒光的CQDs，并且創(chuàng)造出一種用于檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥（OPs）的CQDs-AuNP系統(tǒng)，這種檢測(cè)系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別大米、胡蘿卜、橘子中的農(nóng)藥殘留。目前，基于CQDs的熒光探針已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥殘留的快速檢測(cè)中，但由于這種方法在實(shí)際應(yīng)用中容易受到檢測(cè)樣品中重金屬離子的干擾，因此受到了一定的限制。

五、基于CQDs的熒光分析法檢測(cè)色素

合成色素是現(xiàn)代食品加工業(yè)的主要使用物質(zhì)，例如檸檬黃、胭脂紅等，將其添加到食品中可以增加食品的色彩，但人若長期食用色素含量超標(biāo)的食品會(huì)影響人體的健康，因此色素的使用劑量必須在規(guī)定范圍之內(nèi)。而對(duì)于一些已經(jīng)被禁用的色素，如蘇丹Ⅰ、孔雀石綠等，需要用靈敏度更高、檢測(cè)速度更快的熒光光譜技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。E6127119-5FD9-4AB1-AD68-751B9C896505

1.檢測(cè)可食用合成色素。胭脂紅、檸檬黃、莧菜紅是日常生活中比較常見的能夠添加到食品中的食用色素，但是有些商家為了使食品顏色更好看，會(huì)過量添加食用色素，人體若經(jīng)常食用含有過量色素的食品會(huì)對(duì)身體不利，比如食用含有過量檸檬黃的食品有可能會(huì)發(fā)生腹瀉和過敏，更嚴(yán)重的會(huì)損傷肝臟和腎臟;而食用含有過量胭脂紅的食品則有可能引發(fā)腫瘤。在檢測(cè)食品中色素的各種檢測(cè)技術(shù)中，基于CQDs的熒光分析法有著廣泛的應(yīng)用。比如，從檸檬皮中提取碳元素制成CQDs，可以用來檢測(cè)飲料中的胭脂紅。經(jīng)過抗干擾實(shí)驗(yàn)可知，檸檬酸、蔗糖、VC等是一種潛在的干擾物質(zhì)，會(huì)影響到胭脂紅的熒光猝滅反應(yīng)。因此，這種CQDs方法對(duì)胭脂色的測(cè)定范圍是0.20mg/L-30.00mg/L。

2.檢測(cè)非法添加色素。非法添加色素之所以被禁止使用，是因?yàn)槠浔旧碛兄鴩?yán)重的有害性，例如蘇丹1具有高度致癌的特性。但是在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，非法添加色素的行為仍然存在。采用水熱合成法以廢棄香煙濾嘴作為碳源合成具有較好穩(wěn)定性的CQDs，基于FRET原理可以檢測(cè)辣椒粉、辣椒醬和番茄醬中的蘇丹Ⅰ。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該熒光探針的檢測(cè)線性范圍為2.40μmol/L-104.0μmol/L（R2=0.991），檢測(cè)限為0.95μmol/L。并且在Cu2+、山梨酸鉀、VC等干擾下，該方法依然對(duì)蘇丹Ⅰ具有較好的選擇性。

六、基于CQDs的熒光分析法檢測(cè)三聚氰胺

三聚氰胺是一種有機(jī)化合物，常常被應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于其能夠提高乳制品的蛋白含量，因而被不法商家添加到奶粉中。雖然三聚氰胺的毒性很低，但是如果長期食用，容易引發(fā)腎結(jié)石，嚴(yán)重影響人體的身體健康。通過研究可知，能夠借助溶劑的熱反應(yīng)得到一種具有強(qiáng)光致發(fā)光特性的硅摻雜碳量子點(diǎn)（Si-CQDs），過氧化氫（H2O2）與Si-CQDs之間發(fā)生ICT從而引起熒光猝滅現(xiàn)象，基于三聚氰胺與過氧化氫（H2O2）可以反映出一種比較穩(wěn)定的化合物。所以，可以將三聚氰胺加入到Si-CQDs-H2O2體系中，進(jìn)而去除硅摻雜碳量子點(diǎn)（Si-CQDs）表面的熒光。因此，這種熒光傳感系統(tǒng)可以有效檢測(cè)食品中三聚氰胺的含量。

綜上所述，CQDs在重金屬離子、獸藥殘留、農(nóng)藥殘留、食品添加劑（色素）、三聚氰胺的檢測(cè)方面都有所應(yīng)用，并且能夠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)，即使對(duì)于非專業(yè)研究人員來說，也可以使用這種辦法獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)。從上述檢測(cè)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)研究人員采用了水熱合成法，也有部分研究人員使用微波合成法和超聲法，但是這些方法目前僅僅適用于實(shí)驗(yàn)室，還沒有達(dá)到在工業(yè)上推廣應(yīng)用的條件。筆者認(rèn)為，未來研究的重點(diǎn)應(yīng)該放在選擇合適的天然材料、進(jìn)一步改進(jìn)合成方法以及提高合成CQDs的產(chǎn)量上面。此外，走出實(shí)驗(yàn)室、提高市場(chǎng)化也是該技術(shù)需要突破的最大難關(guān)。E6127119-5FD9-4AB1-AD68-751B9C896505