熒光碳點(diǎn)探針在食品添加劑檢測(cè)中的應(yīng)用

龔詩(shī)蕓，陳梓萱，胡欽

摘 要：食物添加劑在食品行業(yè)中被用來(lái)改善食物的品質(zhì)和色香味，但過(guò)量使用會(huì)對(duì)人體健康造成負(fù)面影響。因此，開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單、快速、選擇性好、準(zhǔn)確性高的方法來(lái)檢測(cè)食品添加劑的含量對(duì)保障消費(fèi)者健康具有重要意義。近年來(lái)，熒光碳量子點(diǎn)（Carbon Dots，CDs）探針以制備簡(jiǎn)單、成本低、生物相容性好、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)在食品添加劑檢測(cè)領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。本文闡述了CDs的制備方式、發(fā)光原理及其作為探針在食物添加劑等領(lǐng)域的重要作用，并對(duì)該研究領(lǐng)域的前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：碳點(diǎn)；熒光；食品；食品添加劑

Application of Fluorescent Carbon Probe in the Detection of Food Additives

GONG Shiyun， CHEN Zixuan， HU Qin*

（College of Food Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou 225001， China）

Abstract： Food additives are often used in the food industry to improve the quality， color and flavor of food， but excessive use will cause harm to human health. Therefore， the development of a simple， rapid， selective and accurate method to detect the content of food additives is of great significance to protect the health of consumers. In recent years， carbon dots （CDs） probe has occupied a place in the field of food additive detection due to its advantages of simple preparation， low cost， good biocompatibility and high sensitivity. In this paper， the synthesis methods， luminescence mechanism and the main applications of CDs as probes in the detection of food additives are summarized， and the development prospects of this research field are also prospected.

Keywords： carbon dots; fluorescence; food; food additive

依據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》（GB 2760—2014），食物添加劑可以界定為“為改善食品品質(zhì)和色香味，并且為防腐蝕、恒溫和工藝的要求而加入食品中的人工方法制備或天然物質(zhì)”。產(chǎn)品類別主要為防腐保鮮類、結(jié)構(gòu)改良類、風(fēng)味改良類、色澤改善類、營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑以及其他食品添加劑[1]。但是，因?yàn)檫@些食物添加劑屬于人工合成物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)對(duì)身體都存在不同程度的影響[2]。如果不能對(duì)食物添加劑的使用加以控制，人們的健康將會(huì)遭受危害。其中，CDs探針在食品添加劑檢測(cè)方面的應(yīng)用廣泛。基于此，本文介紹了食品添加劑的危害，著重闡述了CDs的制備方式、發(fā)光原理及其作為探針在食物添加劑等領(lǐng)域的重要作用，并對(duì)該研究領(lǐng)域的前景進(jìn)行展望。

1 食品添加劑的危害及檢測(cè)意義

在食品添加劑使用規(guī)范中，各種食物添加劑均有使用范圍和數(shù)量的限制，生產(chǎn)者必須嚴(yán)格依照要求進(jìn)行使用。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，存在部分生產(chǎn)企業(yè)為了追求色香味俱全而隨意添加食品添加劑，違反了國(guó)家相關(guān)規(guī)定，為人們的生命健康帶來(lái)威脅，因此，采用合理的檢測(cè)方法加強(qiáng)對(duì)食品添加劑的檢測(cè)至關(guān)重要。目前，我國(guó)的相關(guān)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得較為完善，但由于食品中添加劑的成分較為復(fù)雜，因此，需要將多種檢測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)使用，從而確保食品添加劑檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)要認(rèn)識(shí)到食品添加劑的檢測(cè)與食品安全關(guān)系密切，過(guò)量的食品添加劑會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良影響，因此為了確保食品市場(chǎng)的穩(wěn)定、有序、健康發(fā)展，需要在食品進(jìn)入市場(chǎng)之前對(duì)其進(jìn)行添加劑檢測(cè)，確保食品安全，維護(hù)消費(fèi)者健康。

2 食品添加劑常用檢測(cè)技術(shù)及特點(diǎn)

隨著相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在過(guò)去幾十年，不同檢測(cè)技術(shù)如紫外-可見(jiàn)分光光度法、高效液相色譜法（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）、質(zhì)譜法（Mass Spectrometry，MS）、化學(xué)發(fā)光法、毛細(xì)管電泳法、電化學(xué)方法等都能有效地檢測(cè)出食品添加劑的種類及其含量，極大地提高了食品的安全性。然而，該類方法也有其不足之處，即需要昂貴的試劑、樣品處理方法復(fù)雜、檢測(cè)試劑對(duì)環(huán)境不友好等。因此，探索一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、快速、選擇性好、靈敏度和準(zhǔn)確度高的新方法日益迫切。近年來(lái)，由于熒光碳量子點(diǎn)（Carbon Dots，CDs）具備來(lái)源廣泛、成本低、粒徑小、水溶性好、化學(xué)惰性高、易功能化、抗光漂白性好、無(wú)光閃爍、毒性小和與生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，存在替代傳統(tǒng)的熒光染料的金屬量子點(diǎn)的可能性，也為食品添加劑檢測(cè)提供了新的發(fā)展前景[3]。

3 CDs簡(jiǎn)介

CDs是一種新型的熒光碳納米材料。在2004年，XU等[4]在單壁碳納米管的分離純化過(guò)程中首次發(fā)現(xiàn)了CDs。自此，關(guān)于CDs的合成制備方式、熒光特征及其有關(guān)應(yīng)用等方面的研究進(jìn)展迅速。CDs也因?yàn)榫邆錈晒鈴?qiáng)度高、抗光漂白、光穩(wěn)定性好和對(duì)生物相容性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)引起了人們的重視，在生物技術(shù)成像、光電催化和食品研究等方面獲得廣泛應(yīng)用[5]。

目前，制備碳點(diǎn)的技術(shù)主要分為兩大類：①“自上而下”的技術(shù)，包括電化學(xué)法、激光燒蝕法、電弧放電法、化工剝離法等；②“自下而上”的方式，包括水熱法、溶劑熱法、燃燒法、微波輔助法等。其中，水熱法、燃燒法和微波輔助法是CDs制備的常用方法[3]。

CDs的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其擁有眾多的優(yōu)良特性，其中表現(xiàn)最突出的是其光學(xué)性質(zhì)。主要有紫外可見(jiàn)光吸收、光致發(fā)光、上轉(zhuǎn)換熒光和熒光穩(wěn)定等[6]。CDs的發(fā)光機(jī)制目前還缺乏具體的理論，由于CDs的內(nèi)核是一種以sp?雜化碳原子所組成的碳納米顆粒，表面上有一個(gè)獨(dú)特的功能基團(tuán)，所以關(guān)于CDs的發(fā)光機(jī)制目前主要有兩種說(shuō)法，即發(fā)光來(lái)源取決于其核態(tài)與表面態(tài)。

4 CDs探針在食品添加劑檢測(cè)方面的應(yīng)用

4.1 檢測(cè)亞鐵氰化物

亞鐵氰化物（FeCNs），包括亞鐵氰化鈉（Na4[Fe（CN）6]）、亞鐵氰化鉀（K4[Fe（CN）6]）和亞鐵氰化鈣（Ca2[Fe（CN）6]），一般在食鹽中作為抗結(jié)塊添加劑使用，以保持鹽類的松散及流動(dòng)性。FeCNs的氰化物基團(tuán)與鐵原子之間的化學(xué)鍵很強(qiáng)，且自身的毒性很低。但是，F(xiàn)eCNs在高溫下會(huì)分解生成有放射性的氰化物，在堿性/強(qiáng)酸環(huán)境下才能轉(zhuǎn)變成氰化鈉/強(qiáng)效氫氰酸危害人體健康。據(jù)研究，長(zhǎng)時(shí)間低劑量服用FeCNs可以引起神經(jīng)損傷、帕金森癥、精神紊亂和精神衰竭；高劑量服用FeCNs可以引起呼吸急促、昏迷、意識(shí)完全喪失，或者導(dǎo)致死亡。因此，開(kāi)發(fā)一種快速、便捷、準(zhǔn)確的分析方法來(lái)檢測(cè)食品中的FeCNs至關(guān)重要。據(jù)研究，利用葡萄糖、EDA和HCl通過(guò)酸堿中和自放熱反應(yīng)法成功制得氮氯雙摻雜碳點(diǎn)（N，Cl-CDs），在紫外燈照射下呈亮藍(lán)色熒光，加入K4[Fe（CN）6]后其熒光被明顯猝滅。這是首次利用CDs探針對(duì)FeCNs進(jìn)行快速檢測(cè)，證明此工作為FeCNs的快速檢測(cè)提供了一種新的可能[7]。

4.2 檢測(cè)抗壞血酸

抗壞血酸（Assorbic Acid，AA），又稱維生素C，是蔬菜和水果提供的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中的一類重要的水溶性維生素，可以治療壞血病。同時(shí)抗壞血酸為人體所必需的微量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，影響人體的生長(zhǎng)、代謝和發(fā)育，可以起到預(yù)防癌癥，心血管疾病等與自由基有關(guān)疾病。缺乏抗壞血酸會(huì)導(dǎo)致許多疾病，且由于人體自生不能合成抗壞血酸，只能從外界食物或藥物中獲取，因此對(duì)于食物中抗壞血酸含量進(jìn)行檢測(cè)是有必要的[8]。LUO等[9]開(kāi)發(fā)了一種氮硫共摻雜碳點(diǎn)（N，S-CDs）作為“關(guān)-開(kāi)”熒光傳感器，即通過(guò)Fe3+（關(guān)閉）對(duì)N，S-CDs的熒光猝滅，再與抗壞血酸（Ascorbic Acid，AA）反應(yīng)，使其熒光恢復(fù)（開(kāi)啟）。該反應(yīng)的檢測(cè)機(jī)理為N，S-CDs表面帶有的-NH2結(jié)合Fe3+導(dǎo)致熒光猝滅，AA還原Fe3+導(dǎo)致配位配合物中-NH2釋放使得熒光部分恢復(fù)。其所形成的抗壞血酸傳感器具備高度的選擇性和穩(wěn)定性，該CDs探針可成功用于測(cè)定水果中的抗壞血酸水平濃度。

4.3 檢測(cè)非法添加色素

國(guó)內(nèi)外因添加非法添加劑而造成人體損傷，或造成重大社會(huì)影響的各案例不斷提示人們食品安全的重要性，不論是國(guó)內(nèi)三聚氰胺事件還是瘦肉精事件等，都突出強(qiáng)調(diào)了使用非法添加劑的巨大危害。例如，蘇丹I有著高度致癌的特征，不過(guò)在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動(dòng)下，違規(guī)加入蘇丹I的情況依然存在。利用水熱合法原理將廢舊香煙濾嘴作為碳源制備有較好穩(wěn)定性的CDs，或者采用熒光共振能量轉(zhuǎn)移原理就可檢出在辣椒粉、辣椒醬和番茄醬中的蘇丹I。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法最大熒光探針的檢出線性范圍為2.40～104.00 μmol·L-1（R2=0.991），最大檢限區(qū)間為0.95 μmol·L-1。在Cu2+、山梨酸鉀、維生素C等的干擾下，該方法仍然對(duì)蘇丹I有較好的效果選擇性[10]。

4.4 檢測(cè)可食用合成色素

胭脂紅、檸檬黃、莧菜紅都是較為普遍的作為食品添加劑的食用色素，不過(guò)一些商家為讓食物色澤更好看，會(huì)過(guò)度加入這類色素，因此如果經(jīng)常食用帶有過(guò)量色素的食品會(huì)對(duì)身體健康不利。例如，食用含過(guò)多檸檬黃的食物可能導(dǎo)致腹瀉和過(guò)敏，更嚴(yán)重的還會(huì)損害肝和腎功能；食用含有過(guò)量胭脂紅的食品則有可能引發(fā)腫瘤。基于CDs的熒光分析法在檢測(cè)食品色素中有著廣泛的應(yīng)用。例如，從檸檬皮中提取碳元素所制成的CDs可用于測(cè)定飲料中的胭脂紅，測(cè)定范圍是0.20～30.00 mg·L-1。但是，由抗干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，檸檬酸、蔗糖、維生素C等物質(zhì)對(duì)于該檢測(cè)方法是一種潛在的干擾因素，會(huì)影響到胭脂紅檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[11-12]。

5 結(jié)語(yǔ)

CDs具有良好的生物相容性、可忽略的細(xì)胞毒性、優(yōu)異的光穩(wěn)定性和良好的水溶性等特性且可實(shí)際應(yīng)用于食品添加劑的快速檢測(cè)。然而，CDs仍然存在一些缺點(diǎn)（如粒徑分布不均、選擇性不好、量子產(chǎn)率較低等）。目前，非金屬原子摻雜和表面修飾能提升其量子產(chǎn)率和粒徑均勻程度，可有效調(diào)節(jié)CDs表面特征和化學(xué)性質(zhì)。硼、氮、磷和硫是CDs中最常見(jiàn)的摻雜原子，因?yàn)樗鼈兊脑影霃脚c碳相似，并且摻雜后可極大地提高CDs的熒光量子產(chǎn)率、水溶性和選擇性等特性。因此，在未來(lái)的研究中，可以進(jìn)一步考慮拓展CDs的合成路線，提升CDs對(duì)食品添加劑檢測(cè)的靈敏度。

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