熒光碳量子點在食品安全快速檢測中的應用

李天歌，黃宇琪，郭 歌，宋蓮軍

（河南農(nóng)業(yè)大學 食品科學技術學院，河南鄭州 450000）

碳量子點（Carbon Quantum Dots，CQDs）作為一種新型的熒光納米材料，于2004年首次在碳納米管的電泳提純實驗中被發(fā)現(xiàn)[1]。此后CQDs的合成、檢測機制及應用的相關研究得到迅速發(fā)展。有許多材料可用于合成CQDs，包括天然有機物、有機提取物和一些含碳無機物，目前以天然物質(zhì)為前體的水熱法制備CQDs在研究中受到了相關學者的極大關注。CQDs具有優(yōu)良的光學性能、穩(wěn)定性，且具有低毒、生物相容性好的優(yōu)點，有助于其在食品分析檢測中的應用。本文對CQDs的合成方法、熒光檢測機制進行綜述，并以食品安全檢測分析物為對象分類，分析討論了基于CQDs在食品安全快速檢測中的應用現(xiàn)狀及未來發(fā)展前景。

1 碳量子點的合成方法

CQDs合成方法主要可分為“自上而下”法和“自下而上”法。“自上而下”法采用電弧放電、激光消蝕、電化學氧化等技術將較大的碳結構（如石墨、碳納米管、碳黑和碳納米金剛石等）分解，再經(jīng)表面鈍化后合成；在“自下而上”的合成方法中，有機前體可以通過溶劑熱合成方法、熱解、微波輔助聚合和碳化聚合制成CQDs?！白陨隙路ā焙铣商剂孔狱c性能較好，但操作工藝復雜、不易控制和轉化率低，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。相比之下，“自下而上”法雖操作純化較為困難，但簡便可控，產(chǎn)率高且節(jié)約成本。其中水熱法因反應迅速、易控制晶體尺寸，現(xiàn)已成為合成CQDs的主要方法。但這些方法在合成過程中可能會加入強酸、強堿或具有強氧化性的有毒溶劑，增加了CQDs的純化難度和生物安全風險。目前以天然、可生物降解或可再生原料為主要碳源，如以動物（蝦殼、豬皮）、果蔬（胡蘿卜根、香蕉皮）、食物和飲料（麥片、啤酒）以及其他（柳樹皮、咖啡渣）來源為前體，經(jīng)一步水熱法制成綠色、無毒、經(jīng)濟效益高的CQDs，合成過程無需添加其他溶劑、無需特定設備，有助于提高食品副產(chǎn)品的利用價值，減少生物質(zhì)廢物對環(huán)境的有害影響，可為食品安全快速檢測方法提供新的技術手段。

2 量子點熒光檢測機制

碳量子點具有量子限制、可見光吸收、光致氧化還原等光學特性，對制備新型高質(zhì)量發(fā)光的熒光探針具有重要意義。目前公認的碳量子點的發(fā)光機制有3種，包括共軛π域引起的能量躍遷、電子-空穴對的復合發(fā)光、分子態(tài)發(fā)光。然而因CQD合成原料來源廣泛、制備方法多樣及其成分和結構復雜，很難形成統(tǒng)一的理論，因此CQDs的發(fā)光機制仍需進一步研究。在食品分析應用中，基于CQDs的熒光傳感器的原理通過量子點的熒光增強（Onoff-on）或熒光猝滅（On-off）實現(xiàn)。以CQDs為基礎的熒光探針檢測目標物的檢測機制常見的有以下幾種。①熒光共振能量轉移（FRET），同時滿足熒光探針（供體）的發(fā)射光譜和受體的吸收光譜有很好的重疊和供體和受體之間距離＜10 nm 兩個條件，熒光供體和受體發(fā)生FERT效應。②內(nèi)濾效應（Inner Filtering Effect，IFE），當目標物質(zhì)的吸收光譜和探針的熒光激發(fā)或發(fā)射光譜重疊時，探針通過IFE熒光猝滅。③光致電子轉移（Photoinduced Electron Transfer，PET），指當電子供體和電子受體同時被激發(fā)，發(fā)生電子轉移導致熒光猝滅的過程。其他檢測機制還有靜態(tài)猝滅效應、動態(tài)（碰撞）猝滅效應、分子內(nèi)電子轉移和聚集誘導發(fā)光等。這些檢測機制的相互協(xié)作使用可為實際檢測中提供多種驗證 方法。

3 碳量子點在食品安全快速檢測中的應用

3.1 檢測食源性致病菌

食源性致病菌以食物基質(zhì)為主要途徑進入人體宿主細胞，造成食物中毒如腹瀉、嘔吐和全身感染以及其他疾病。近年來，由食源性病原體引起的食品安全事故頻發(fā)，因此，開發(fā)檢測食品中病原體的技術至關重要。目前檢測食源性致病菌的方法有菌落培養(yǎng)、聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction，PCR）和酶聯(lián)免疫吸附測定法（Enzyme Linked Immunosorbent Assay，ELISA）等，但這些方法耗時、操作復雜、不便攜。而用具有低毒、環(huán)保、光學特異性好的合成CQDs作為熒光探針，在食源性致病菌的檢測方面極具發(fā)展?jié)摿?。HU等[2]以橘皮為碳源，微波輔助合成CQDs，將適配體標記的CQDs和互補DNA標記的磁性納米粒子（Magnetic Nanoparticles，MNPs）制成用于檢測大腸桿菌的熒光探針（Carbon Quantum Dots-Magnetic Nanoparticles，CQD-MNPs），結 果發(fā)現(xiàn)CQD-MNPs的熒光強度隨著大腸桿菌的添加而降低，檢測范圍為500～106CFU·mL-1，檢測限為487 CFU·mL-1。用這種方法對被大腸桿菌污染的牛奶樣品進行分析，與平板計數(shù)法結果一致。這種熒光探針在保證食品質(zhì)量和安全方面表現(xiàn)出巨大的潛力。

3.2 檢測重金屬離子

環(huán)境中的重金屬離子如鐵（Fe3+）、汞（Hg2+）、銅（Cu2+）等通過飲用水、食物或皮膚吸收進入人體，會對器官造成嚴重損傷，因此對重金屬離子的檢測具有根本意義。基于熒光CQDs與重金屬離子發(fā)生電子轉移形成絡合物，使得CQDs熒光猝滅或增強，可以實現(xiàn)對重金屬離子的簡單、快速檢測。HU等[3]在實驗中，以苦茶油殘渣和尿素分別為碳源和氮源制備氮摻雜的CQDs，由于CQDs表面具有豐富的酚基和羥基，與Fe3+配位產(chǎn)生猝滅效應。Hg2+優(yōu)先吸附在CQDs表面的含氮基團上，如酰胺鍵、吡咯、吡啶官能團，具有較強的親和力，猝滅大量的CQDs光致發(fā)光發(fā)射。此CQDs可用于簡單、快速、選擇性檢測金屬離子Hg2+和Fe3+。

3.3 檢測農(nóng)獸藥殘留

農(nóng)獸藥濫用和殘留問題對農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、動物食品安全乃至人體的健康帶來嚴重危害，因此，靈敏度高、特異性強、操作方便快捷、高通量的農(nóng)藥殘留分析技術展現(xiàn)出重要的應用價值。傳統(tǒng)檢測農(nóng)獸藥殘留的方法因其具有耗材昂貴、響應時間長等缺點，在實際應用上受限。有研究者[4]嘗試將無農(nóng)藥花椰菜為原料合成水溶性的CQDs。二嗪農(nóng)、尿素和草甘膦以濃度依賴的方式與CQDs相互作用導致熒光猝滅，在紫外燈下觀察到CQDs顏色由亮變暗，檢測限分別為0.25 ng·mL-1、0.5 ng·mL-1和2 ng·mL-1。為了能對四環(huán)素（Tetracycline，TC）進行特異性識別，QI等[5]利用柚子皮作為碳源合成具有藍色熒光的新型水溶性氮摻雜的碳量子點，基于內(nèi)濾效應可成功檢測牛奶中的TC。在0～100 mmol·L-1的線性范圍內(nèi)測量TC濃度，檢測限低至0.045 mmol·L-1，檢測結果在90 s內(nèi)得到，相對于其他方法檢測速度顯著提高。該新型熒光CQDs的傳感器能在不使用任何特殊儀器的情況下以簡單、高效、靈敏的方式進行檢測，因而成為了檢測TC的替代方法。

3.4 檢測食品添加劑

食品添加劑在食品工業(yè)中被廣泛使用，以延長食品的保質(zhì)期、改善其感官特性和促進工業(yè)發(fā)展。然而，過度使用食品添加劑會導致食物中毒、器官損傷、細胞病變和癌癥，因此研究快速有效檢測食品添加劑的方法至關重要。CARNEIRO等[6]使用天然種子通過簡單的一步水熱法合成CQDs，在最大激發(fā)波長（360 nm）下評估與檢測檸檬酸、乳酸、抗壞血酸、苯甲酸鈉和山梨酸鉀的性能，在真實的腌制橄欖樣品中以95 %的置信度準確識別出5種食品添加劑，檢測限為252 ng·mL-1，結果證明基于CQDs的熒光傳感器在食品添加劑檢測中具有一定的準確性。

4 結語

本文基于熒光CQDs探針的合成方法、檢測機制以及在食源性致病菌、重金屬離子、農(nóng)獸藥殘留、食品添加劑安全檢測中的應用進行綜述。構建的熒光探針能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場快速檢測，即使非專業(yè)人士也可以通過簡單操作得到檢測數(shù)據(jù)，在食品安全快速檢測領域具有廣闊的應用前景。然而，在食品分析的實際應用中，仍有一些問題有待解決，樣品基質(zhì)的復雜性使得快速檢測的難度增加，排除其他干擾物檢測指定目標物對構建高特異性和選擇性的CQDs至關重要。除此之外，這些檢測技術大部分仍局限于實驗室研究中，沒有實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。因此未來的研究方向應著重于CQDs綠色原料的選擇、特異性的提高，以及發(fā)展復雜基質(zhì)中的現(xiàn)場可視化檢測技術并應用于市場等方面，為進一步促進量子點的開發(fā)、擴大其在食品質(zhì)量安全快速檢測中的應用范圍提供新的思路。