食品来源的碳点合成特性及生物应用研究进展

房彬，张竹君，李少鹏，夏婷

（天津科技大学生物工程学院省部共建食品营养与安全国家重点实验室，天津300457）

碳点 （carbon dots，CDs）是一类粒径小于10 nm，由C、H、O等元素构成的新型荧光纳米颗粒。2004年，这种荧光碳纳米颗粒在单壁碳纳米管的合成中被首次发现[1]。与传统的量子点相比，碳点不仅具有紫外-可见光吸收、光致发光、上转换荧光等优质的光学特性，还具有高生物相容性、抗光漂白、化学惰性和低细胞毒性等优点。近年来，其在传感器、细胞成像、药物传送等领域表现出巨大的应用潜力[2-3]，不断地受到国内外学者的关注，成为荧光纳米材料研究的热点。随着可持续发展、绿色合成理念的不断实施，制备碳点所需的原料选择不再局限于柠檬酸、葡萄糖等小分子物质和炭黑、石墨等碳质材料，越来越多的食品来源的物质也被应用其中。食品来源的物质不仅富含葡萄糖、纤维素、多糖等有机分子，还含有氨基酸、维生素、矿物质等含氮、硫元素的天然营养物质，可以在无额外表面修饰的情况下提高碳点的荧光产率。另外，以食品制备形成的碳点还具有更高的生物相容性、低细胞毒性和绿色环保等优点，在生物领域具有广泛的应用前景。本文就食品来源碳点的合成特性及其生物应用进行综述。

1 不同食品来源的碳点合成

研究发现可以利用任何含碳材料制备碳点，因此合成碳点的原料具有广泛的选择性[4]。果蔬、动物、加工食品及其废弃物中均含有丰富的碳水化合物、蛋白质、脂质等营养成分，这些物质不仅可以为碳点的合成提供天然的碳源，而且所富含的氨基也可以填补碳点表面缺失，从而提高碳点量子产率（quantum yield，QY）。另外，食品来源的物质还具有环境相融性高、毒性低、成本低、易获取、可再生等优点[5]。目前食品来源的碳点主要通过自下而上法制备，主要包括水热合成法、微波辐射法、热分解法等。水热合成法是制备食品源碳点最常用的方法，一般将原料与水等溶剂混合、密封在高压反应釜内，在高温高压条件下进行反应，再经纯化等步骤得到荧光碳点[6]。微波合成法是一种省时、高效、直接的碳点制备方法，可以在短时间内碳化合成前体物，但可能会造成碳点粒径大小不够均一[5，7]。而热解法是将天然产物高温加热形成碳化物质，并从中分离和提纯得到荧光碳点颗粒[8]。除此之外，还有化学氧化法、萃取法和分子聚集法等用于食品来源碳点的合成。以下将对不同食品来源的碳点合成特性分类介绍，详见表1。

表1 不同食品来源的碳点合成Table 1 Synthesis of carbon dots from different food sources

1.1 果蔬来源的碳点合成

蔬菜水果不仅为人体健康提供必需的营养物质，近年来研究发现也可为碳点合成提供前体物，例如：卷心菜、蘑菇、番茄、橙子等。制备果蔬来源碳点最常用的方法是水热合成法。Chaudhary等[9]以香蕉为唯一原料，采用水热合成法在150℃反应4 h合成碳点颗粒，其粒径分布在0.5 nm～2.5 nm范围内，QY为32%，可在紫外线照射下发出蓝色荧光。紫外-可见吸收光谱（ultraviolet visible，UV-vis）显示，该碳点产生两个明显的吸收峰，分别在284 nm和330 nm处，对应于C=O的n-π*跃迁和C=C的π-π*跃迁。除水热合成法外，微波辐射法也可用于制备果蔬来源的荧光碳点。Gu等[10]以莲藕为碳源合成天然氮掺杂的荧光碳点，其可在365 nm激发光照射下呈现蓝色荧光，平均粒径约为9.41 nm，QY高达19%。傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectrometer，FT-IR）和 X射线光谱（X-ray photoelectron spectrometer，XPS）显示，该碳点主要由C、N、O 3种元素组成，其相对含量分别为61.81%、5.23%和32.96%，表面含有-COOH、-OH和-NH2等基团。

1.2 动物来源的碳点合成

动物及其衍生物中含有丰富的蛋白质、脂质等天然物质，是人类生活中不可或缺的天然产物之一。制备动物来源碳点常用的方法是水热合成法、热解法和微波合成法。Zhao等[11]以新鲜猪肉为碳源，通过水热合成法制备形成一种发蓝色荧光的碳点颗粒，平均粒径约为3.5 nm，QY为17.3%。荧光光谱显示随着激发波长的增加，发射峰出现了红移现象，结果表明该碳点具有激发依赖性的光致发光特性。Wang等[12]以鸡蛋的蛋清和蛋黄为原料，通过等离子体诱导的热解法合成两种荧光碳点，分别为CDpew和CDpey。两种碳点在紫外线照射下均发蓝色荧光，CDpew其平均粒径为3.39 nm，QY约为6%；CDpey其平均粒径约为2.15 nm，QY约为8%。UV-vis光谱显示，两种碳点在275 nm处均表现出明显的吸收。此外，荧光光谱显示在360 nm的激光激发下，两种碳点在420 nm处均荧光强度最高。综合以上研究表明，与果蔬来源的碳点合成相比，以动物为原料合成的荧光碳点数量较少。

1.3 加工食品来源的碳点合成

许多加工食物也可以作为合成碳点的天然前体物，例如牛奶、咖啡、啤酒、豆浆等。Wang等[13]通过水热合成法制备牛奶来源的碳点，结果发现所得碳点在紫外线照射下发蓝绿色荧光，粒径分布范围为2 nm～4 nm，QY约为12%。通过FT-IR和XPS分析，碳点表面具有羧基、羟基等多个官能团和少量含氮基团，可能是牛奶在水热处理过程中降解所形成。随着碳点前体物的深入研究，研究人员发现在食物制作和高温烘焙过程中也会产生荧光碳点。常用萃取法对食物自身或者加工过程中产生的荧光碳点进行提取。该方法先将碳点溶解于有机溶剂中，再使用萃取剂或者凝胶层进行分离纯化，最后得到纯化的碳点颗粒[5]。Wang等[14]通过萃取法从青岛啤酒中提取出了一种蓝色荧光碳点。研究结果显示，该碳点粒径约为2.5nm，QY约为7.39%。从透射电镜图（transmission electron microscopy，TEM）中可以观察到碳点内有间距为0.302 nm的晶格条纹。

1.4 食物废弃物来源的碳点合成

一些食物废弃物例如：丝瓜皮、咖啡豆壳、鸡蛋壳等，也可作为绿色合成碳点的优秀前体物。该合成碳点的来源不仅材料易得、投入资金少、经济成本低，而且还能减少环境的污染，绿色环保[15]。化学氧化法也是制备食品源碳点的方法之一。该方法先将天然产物进行碳化，再添加氧化剂对其氧化处理，最后分离、纯化得到纯净的碳点[5，8]。Jiao等[16]以芒果皮为碳源通过化学氧化法合成一种粒径约为3 nm，QY约为8.5%的蓝色荧光碳点。FT-IR光谱显示，碳点表面含有O-H、NH、C-H、C-N、C-O、C-S等化学键，证明其表面存在大量的羧基、羰基、氨基等官能团。近期研究发现利用分子聚集法制备碳点时，不需要外界能量输入或者使用复杂的装置，可以有效地避免破坏天然产物的化学结构，为绿色环保合成碳点提供了新策略[5]。Wang等[17]以咖啡豆外壳为原料通过分子聚集法合成一种发蓝色荧光的碳点颗粒，其粒径分布在1 nm～5 nm范围内。通过该方法制备咖啡豆外壳来源的碳点可以有效的保护其中酚类化合物较强的抗氧化能力。根据DPPH法测定碳点的抗氧化能力，当碳点的浓度为0.16 mg/mL时，其清除自由基的能力可以达到85%。结果表明通过该方法制备的碳点可以有效地保护其中酚类化合物的抗氧化能力。

2 食品来源碳点的生物应用

食品来源的碳点因其优良的光学特性、耐光漂白性、高水溶性、低细胞毒性等优点，被认为是最具发展潜力的荧光纳米材料。目前文献报道其在离子检测、生物传感器、生物成像、药物运输、荧光绘图等领域均有应用[14，29-31]。以下主要介绍食品来源碳点在生物领域的应用。

2.1 生物传感器

2.1.1 在生物、医学检测上的应用

目前，在生物、医学领域中对氨基酸、酶、蛋白质等分子检测常用免疫法、化学法、仪器测定法等方法。这些传统方法虽已应用于临床，但其还是存在耗时较长、仪器复杂等缺陷[8]。以食品为原料合成的荧光碳点其表面含有羟基、羧基、氨基等官能团，可作为生物传感器的荧光探针对生物分子进行检测。该方法不仅检测效果显著，而且资金投入少，具有较强的发展潜力。Lu等[18]利用西瓜汁制备碳点，研究发现该碳点表面的羟基、胺基和羧基基团与Fe3+之间发生强配位相互作用破坏辐射跃迁，从而使荧光猝灭；而在CDs/Fe3+体系中加入半胱氨酸后，导致了Fe3+离子从碳点表面分离，从而使荧光得以恢复，表现出“开-关-开”荧光变化的特性。根据该特性对半胱氨酸进行检测，结果显示其线性范围为 0～250 μmol/L，最低检出限为 0.27 μmol/L。研究表明西瓜汁来源碳点的荧光传感器可用于半胱氨酸的检测。Yang等[20]研究发现蘑菇来源的碳点与HA和HAase之间表现出“开-关-开”荧光变化。依据该变化对溶液中的HA和HAase进行检测，HA的检测范围为 50 pmol/L～50 μmol/L，最低限为 0.03 nmol/L；HAase的检测范围为0.2 U/mL～10 000 U/mL，最低限为0.1 U/mL。此外，该方法还可以用于人类尿液中HAase的检测，结果显示其回收率在97.7%～105.0%，尿液中的其他成分对检测结果无显著影响。研究表明该方法能够对HAase进行特异、灵敏地检测。因此，食品来源的碳点不仅获取方便、成本低廉，而且可作为一种荧光探针对人体中的生物指标进行灵敏高效地检测，具有很好的应用前景。

2.1.2 在食品添加剂检测上的应用

食品添加剂会使食物变得更加可口、美味，但其含量超标也会对人体健康造成一定危害。Hang等[32]发现甘蔗蜜糖来源的碳点可与食品添加剂日落黄发生静电作用，从而引起荧光猝灭。以该碳点为荧光探针，对食品中日落黄添加剂进行检测，结果显示其检测范围为 0～60 μmol/L，检测限为 0.399 μmol/L。研究表明基于该碳点的荧光传感器可对食品中的日落黄进行高效检测。S.Monte-Filho等[33]利用柠檬汁和洋葱汁制备碳点，发现该碳点可与核黄素之间发生荧光共振能量转移，从而引起碳点的荧光猝灭。利用该猝灭现象，以碳点为荧光探针，对复合维生素/矿物质补充剂中核黄素进行检测，结果显示其检测范围为0.10 mg/mL～3.0 mg/mL，最低检测下限为1.0 ng/mL。此外，对3种不同品牌的营养剂中核黄素进行检测，其回收率在96.0%～101.4%。研究表明柠檬汁和洋葱汁来源的碳点可作为荧光探针用于核黄素的测定。

2.2 生物成像

在生物成像领域，利用有机染料对组织切片进行染色是最常用的方法，但有机染料的剧毒性限制了其在细胞成像及体内成像方面的应用[34]。碳点具有稳定的光学特性、高细胞相容性、低细胞毒性等优点。同时食品来源的碳点粒径相对较小，更易于通过细胞膜进入细胞从而进行荧光成像。这些优点使食品来源的碳点应用于生物成像方面成为可能。

Kasibabu等[35]利用石榴为前体合成一种粒径约为3.5 nm的荧光碳点，并以其为探针利用激光共聚焦细胞成像仪对铜绿假单胞菌和燕麦镰刀菌进行成像。结果显示该碳点被细胞所摄取，在405 nm和458 nm的激光激发下，铜绿假单胞菌细胞和燕麦镰刀菌细胞内分别发出绿色和红色荧光。Niu等[36]发现小白菜来源的碳点其粒径约为1.8 nm，且具有较低的细胞毒性，Hela细胞在不同浓度（0～2 000 μg/mL）的碳点溶液中培养24 h后细胞活性保持95%以上。以该碳点为荧光探针，对大肠杆菌和Hela细胞进行激光共聚焦细胞成像。结果显示在405 nm和488 nm激发下，碳点进入细胞内并分别发出蓝色和绿色荧光。Shen等[37]合成了一种甘薯来源的荧光碳点，并以其为探针利用激光共聚焦细胞成像仪对HeLa和HepG2细胞进行成像。两种细胞在紫外光（330 nm～388 nm）、蓝光（450 nm～480 nm）和绿光（510 nm～550 nm）激发下细胞分别发出蓝色、绿色和红色荧光。

目前利用碳点进行体外成像的研究较多，除此之外，也有学者对碳点的体内成像进行了研究。Zhang等[17]以咖啡豆外壳来源的碳点为荧光探针对用宫颈癌小鼠进行动物活体成像。结果显示注射碳点2 h后即可在肿瘤部位观察到明显的荧光信号；24 h后对小鼠进行解剖，发现碳点多集中在肿瘤和肝脏，其他部位不受影响。此外，宫颈癌小鼠在注射碳点6 d后仍然存活，进一步地证明该碳点能够安全地用于体内成像。综合以上研究提示食品来源的荧光碳点可安全、有效地应用于细菌和细胞的体外成像以及小动物体内成像，在应用于生物成像领域表现出较大的潜力。

2.3 药物传送

随着对医学纳米技术的深入研究，近年研究发现通过将药物和纳米材料结合可以提高药物在人体吸收、分布、代谢方面的传递过程[2]。食品来源的碳点具有粒径小、易溶于水、细胞相容性高等优点，可作为纳米载体应用于药物传输领域。由于肿瘤的高通透性和滞留（enhanced permeability and retention，EPR）效应，与碳点结合的药物进入人体后，易于定向肿瘤部位并聚集，从而更好地发挥药效[38]。

Wang等[14]利用啤酒制备碳点，结果发现当碳点浓度在0～12.5 mg/mL范围内对细胞活性没有显著影响，表明该碳点具有低细胞毒性。以该碳点为药物载体对盐酸阿霉素（doxorubicin，DOX）进行药物递送，并通过激光扫描共聚焦成像仪进行观察到随着时间的增加，大部分的碳点-DOX复合物被MCF-7细胞所摄取，并将DOX转移并释放到细胞内。研究表明该碳点可作为一种有效的纳米载体用于乳腺癌治疗。D’souza等[39]合成了一种胡萝卜来源的荧光碳点，发现该碳点通过氢键与丝裂霉素药物有效结合，但在中等酸性的肿瘤细胞外微环境 （pH 6.80）下碳点-药物复合物的氢键断裂，丝裂霉素释放。同时，研究发现碳点-丝裂霉素复合物的细胞活性（60%）显著低于裸碳点和纯丝裂霉素的细胞活性（89%，81%），结果表明该碳点可作为丝裂霉素药物载体显著提高丝裂霉素的杀伤作用。因此，食品来源碳点表面存在的大量官能团，及其具有的低细胞毒性，有利于药物递送至目标部位发挥药效。

3 展望

碳点作为一种新型荧光纳米颗粒，具有优良的光学特性、高分散性、高稳定性、抗光漂白性等特点。食品来源的碳点与其他来源的碳点相比，具有绿色环保、尺寸较小、细胞毒性低、安全性高等优点，在生物领域具有巨大的应用潜力，近年日益受到国内外研究人员的关注。随着研究地不断深入，目前发现食品来源的碳点在合成及生物应用方面仍有些问题有待进一步地研究与探讨：1）目前碳点的合成选用果蔬、动物等可食用的食品，会造成一定程度的资源浪费。今后可侧重研究选择食物的废弃物或食品加工过程中的废渣或废料，以便绿色环保、可持续地利用食品制备碳点；2）目前合成食品来源碳点的方法需要大量能源投入，因此开发绿色合成方法，使之更加节能、高效地制备碳点，进而实现食品来源碳点的大规模制备，应用于实际，是今后研究的重要方向；3）食品来源的碳点在生物领域的应用多局限在生物传感器、生物成像、药物运输等方面，能否利用其小分子靶向特点，进一步应用于疾病的诊断、预防及治疗等方面，扩大其应用范围，有待于科研工作者进一步探究。