荧光碳量子点的制备及其在粮油食品安全检测中的应用

王 超，李 彭，丁 俭，方 勇

（南京财经大学 食品科学与工程学院/江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，江苏 南京 210023）

中国是人口大国，对于粮油食品的需求量较大，在粮油食品市场不断发展的同时，粮油食品安全检测也越来越受到关注。粮油食品是日常生活中营养的主要来源，如果缺少粮油食品，则会对日常生活造成显著影响，最终导致人体营养不良，甚至严重威胁人们的身体健康[1]。在现代市场经济中，一些不法商贩为了获取更高的利润而使用不规范的粮油食品生产加工方式，这些质量不合格的粮油食品进入市场之后，使得粮油食品安全难以得到保障[2]。目前来说，粮油食品安全检测技术主要包括高效液相色谱法[3]、气相色谱法[4]、免疫吸附法（酶联免疫、纳米金免疫）[5]等分析方法，这些方法虽然也能够提供较高的准确度和灵敏度，但大多需要昂贵的仪器和繁琐的前处理过程，部分检测方法（如酶联免疫法）还对外部的检测环境有所要求。因此，为了确保粮油食品的安全，必须对粮油食品的生产加工进行有效的制约和监督，同时，科学、合理的粮油食品安全检测新技术的开发必不可少[6]。

碳量子点（carbon quantum dots, CQDs），是一种尺寸小于10 nm的新型碳纳米材料，呈球形或者类球形，以sp2的共轭碳为核心，表面基团丰富[7-9]。在2004年由Xu等[10]首次发现，2006年Sun等[11]将其正式命名为碳量子点，自此以后，碳量子点就广受学者们的关注。相比较于传统的半导体量子点，碳量子点的光学性能稳定，且还具有原料来源广泛、毒性低、生物相容性好等优点[12]，已经被用于分析检测[13]、生物成像[14]、光电催化[15]等多个领域，其中，在分析检测领域中的应用最为广泛。近些年，有不少报道将碳量子点这一荧光检测技术运用到粮油食品安全的检测中，所以本文通过对碳量子点的制备方法、制备原料、杂原子掺杂以及荧光猝灭机理进行归纳，并对碳量子点在粮油食品安全检测中的应用进行综述，以期为碳量子点在粮油食品安全中的进一步应用提供参考。

1 碳量子点的制备

目前，碳量子点的制备方法主要可以分成自上而下（top-down）和自下而上（down-top）两大类。自上而下法为物理方法，是从大颗粒碳物质上通过侵蚀剥离制备碳量子点。主要包括电弧放电法、激光烧灼法、电化学法等。而自下而上法为化学方法，研究起步较晚，但是在之后得到了更加广泛的运用，这得益于其原料来源广泛、操作简单、产率高等优点，主要是通过小分子或聚合物作为前驱体碳化得到碳量子点。主要包括热分解法、水热法、模板法、微波法等。

1.1 自上而下法

1.1.1 电弧放电法

电弧放电法是最早发现的制备碳量子点的经典方法之一。电弧放电是指两个电极在一定电压下由气态带电粒子，如电子或离子，维持导电的现象。如Xu等[10]以烟灰为原材料进行电弧放电，用硝酸进行氧化处理，增加其水溶性，酸化，并用氢氧化钠进行中和，中和后得到悬浮液再用凝胶电泳分离后即可得到碳量子点。所制备的碳量子点在366 nm的激发光下，可呈现出绿色、黄色以及橙色三种类型的荧光。然而采用电弧放电法制备的碳量子点荧光较弱，荧光量子产率较低，限制了其在分析检测领域的进一步使用。

1.1.2 激光烧灼法

激光烧灼是利用高功率气体激光器产生高温高压以制备碳量子点的一种方法。Sun等[11]在采用Nd:YAG激光器在氩气气流中撞击碳靶，并在硝酸中回流12 h，再进行表面钝化之后即得碳量子点。激光烧灼法最大的优点在于它可以通过改变溶剂制备出荧光发射波长不同的碳量子点，然而，其缺点在于需要专用的激光设备，并且采用此方法制备的碳量子点仍然存在荧光量子产率低的问题。

1.1.3 电化学氧化法

电化学氧化是在电解槽中放入有机物的溶液或悬浮液，通过直流电，在阳极上夺取电子使有机物氧化的方法。Zhao等[16]通过对石墨进行电化学氧化来制备碳量子点，石墨柱电极（GE）经氧化之后，以0.1 mol/L NaH2PO4水溶液作为支撑电解质制备荧光碳量子点。该法操作方便，设备简单，重复性好，是一种绿色、清洁的方法。

1.2 自下而上法

1.2.1 热分解法

热分解法是通过对有机小分子在水热条件下进行热解碳化，得到碳量子点的方法。Chernyak等[17]将己烷或乙腈在氮气流中传递15 min后，置于石英管状床反应器中，加热至800 ℃左右反应10 min，得到石墨烯碳量子点（GNF），通过改变碳量子点的制备条件，可使碳量子点的荧光从绿色变成橙色。热解法简单、快速、碳量子点的荧光量子产率较高，此外，由于通常是在高压反应釜中进行操作，过程可控，碳量子点的尺寸较为均一。

1.2.2 水热法

水热法是指一种在密封的压力容器中，以水作为溶剂、粉体经溶解和再结晶的制备材料的方法。Liu等[18]以柠檬酸和乙二胺为共前驱体，通过简单温和的水热反应成功地合成了氮掺杂碳量子点（N-CDs），并且可用于Cr（VI）离子的分析检测，检测限可达到0.26 μmol/L。该方法实现了Cr（VI）离子的高敏感性和高选择性检测，并且能够运用到实际样品中的Cr（VI）离子分析检测中去。

1.2.3 微波法

微波法是将有机化合物置于微波条件下进行反应来制备碳量子点的一种方法。Bhagavanth等[19]通过微波辅助的方法制备了银纳米粒子/氮掺杂碳量子点（AgNPs / NCDs）纳米复合材料，该材料可用于罗丹明B、甲基红和4-硝基苯酚的分析检测。微波法制备碳量子点的优势在于方法简单、快速，微波设备通常采用家用微波炉，设置好微波功率（微波火力）和微波时间即可，而且制备出的碳量子点的荧光强度和荧光量子产率较高。

1.3 碳量子点的制备原料

碳量子点的制备原料主要来源于碳纳米管[20]、富勒烯[21]、石墨烯[22]等大体积的碳骨架材料以及柠檬酸[23]、葡萄糖[24]等有机化合物。然而，随着社会发展和人类进步，科学发展观和绿色化学概念的提出，大体积的碳骨架材料逐渐被淘汰。生物质材料作为一种天然原料，由于其可再生、低污染、来源广泛等优点逐渐被学者们关注。Wang等[25]以黄瓜汁为原料，通过水热法得到氮、硫、磷共掺杂碳量子点，发光性能优良，可用于细胞成像实验。Arul等[26]通过将火龙果在180 ℃下反应12 h，得到的碳量子点呈现蓝色荧光，并且展现出很强的催化活性。Shen等[27]以红薯生物质为原料，在热解18 h之后，得到的碳量子点可用于Fe3+的检测。

1.4 杂原子掺杂

在碳量子点的制备过程中，碳量子点的荧光性能备受关注。然而未经处理的单纯碳量子点的荧光量子产率往往很低（＜10%），不能满足在实际应用中的需求，而杂原子掺杂是改善碳量子点的荧光性能的重要手段。

1.4.1 氮掺杂

由于氮原子最外层有5个电子，最容易与碳原子形成共价结合，因此氮掺杂是改善碳量子点荧光强度和荧光量子产率最常见和最有效的方法之一，在所报道过的碳量子点中，氮掺杂量子点也占据了绝大部分。Chang等[28]采用一步水热法制备出了氮掺杂碳量子点：Eu,Gd ( N-CDs/HA:Eu, Gd )，并且在单波长下呈现双发射，具有独特的光学性能，使得其在离子检测方面有巨大的应用前景。Issa等[29]在线性聚乙烯亚胺（PEI）的存在下，由羧甲基纤维素制备出氮掺杂碳量子点，呈蓝绿色荧光，能够在酸性溶液中识别Fe3+，检出限可达0.14 μmol/L。

1.4.2 硫掺杂

硫元素掺杂对于碳量子点来说并不多见，因为硫与碳之间的电负性差异很小。Hu等[30]利用废弃油在浓硫酸辅助下一步合成硫掺杂碳量子点，合成的硫掺杂碳量子点的尺寸均匀，呈现部分无序的类石墨结构，值得注意的是，合成的硫掺杂碳量子点具有明显的pH敏感性，在pH值为3～9的范围内光致发光强度呈线性增加。

1.4.3 磷掺杂

在碳量子点中引入磷原子的掺杂，有助于在碳量子点的表面形成更多的缺陷，产生更多的活性位点。Kalaiyarasan等[31]以柠檬酸三钠和磷酸为前驱体，采用水热法合成了磷掺杂碳量子点。通过控制前驱体的浓度、反应时间和温度，详细探讨了磷掺杂对碳量子点的光学特性和形成的影响。在310/440 nm的激发/发射波长下，磷掺杂碳量子点的荧光量子产率可达到16.1%。此外，Fe3+的加入可以结合到碳量子点的表面从而导致碳量子点的荧光强度发生猝灭，并基于此开发了一种新的用于血液、尿液、各种工业废水和污水样品中Fe3+检测的商业检测方法。

1.4.4 硼掺杂

硼元素的引入也可能会增加碳量子点表面的活性位点，进而改变碳量子点的光学性能。Sadhanala等[32]以邻苯二酚为碳源，萘硼酸为硼源，采用溶剂热法制备出了高荧光硼掺杂碳量子点，该碳量子点发紫色光，且对Mg2+和Ca2+具有高敏感性和高选择性的分析检测功能。

2 碳量子点的荧光猝灭机理

目前来说，绝大多数的碳量子点对于目标物质的分析检测都是基于荧光信号的猝灭效应（也有一小部分通过抑制猝灭来增强荧光信号值），即通过目标物质与碳量子点之间的相互作用使得荧光猝灭。碳量子点的荧光猝灭机理主要包括光诱导电子转移（PET）、荧光能量共振（FRET）、内滤效应（IFE）、静态猝灭（SQE）以及动态猝灭（DQE）等。

2.1 光诱导电子转移（PET）

所谓PET，也就是目标物质与碳量子点之间发生了电子转移的现象，双方互为电子供体和电子受体的关系，并形成相应的配合物。这一过程主要涉及到碳量子点和目标物质内部所发生的氧化还原反应的过程。Liu等[33]制备了具有良好水分散性和光稳定性的新型碳量子点，以此来揭示溶酶体pH值与生物硫醇之间的关系。这种碳量子点在450 nm的激发波长下表现出106 nm的斯托克斯位移。基于给体激发的PET过程，研究了碳量子点的荧光猝灭行为。pKa值为5.30，与正常和异常溶酶体pH值范围吻合较好。加入半胱氨酸（Cys）或同型半胱氨酸（Hcy）后，PET过程被有效抑制，荧光完全恢复，这一实验成功证明该碳量子点的荧光猝灭机理属于PET。

2.2 内滤效应（IFE）

IFE是指碳量子点的荧光激发或者荧光发射光谱与目标物质的紫外吸收光谱出现了重叠的现象。随着荧光猝灭剂浓度的增大，碳量子点的荧光强度也随之不断减小。IFE的发生主要包含三个方面的条件，一是碳量子点的荧光激发或者荧光发射光谱与目标物质的紫外吸收光谱出现了重叠现象，二是猝灭前后没有新物质的生成，三是荧光寿命不发生变化。Xue等[34]制备出了一种碳量子点，并将其嵌入到锌锥微球中，形成了基于IFE的低成本的Cr(VI)高选择性传感器，可在150 s内，完成对1～1 000 μmol/L的小剂量的重铬酸盐离子的检测，碳量子点的紫外光谱和重铬酸盐的紫外可见吸收光谱发生了重叠现象，对于荧光寿命的研究，也再次说明了重铬酸盐对于碳量子点的猝灭机理属于IFE。

2.3 荧光能量共振（FRET）

FRET是指在供体分子处于激发态时由一对偶极子介导的能量从供体向受体转移的过程。在整个过程中，均不发生光子的发射和重吸收。碳量子点与目标物质之间能否发生FRET主要取决于两个方面：一是碳量子点的发射光谱与目标物质的吸收光谱有重叠现象；二是碳量子点与目标物质的空间距离足够小。此外，在FRET过程中，荧光寿命往往随着目标物质浓度的增加而降低。Ye等[35]基于碳量子点修饰的纳米多孔氧化铝膜，以碳量子点为荧光供体，研制了FRET生物传感器，用于检测8-羟基20 -脱氧鸟苷（8-OHdG），一种典型的DNA氧化损伤产物。将金纳米颗粒包裹在咪唑沸石骨架-8中形成Au@ZIF-8纳米颗粒作为信号猝灭剂。碳量子点和Au@ZIF-8纳米颗粒被8-OHdG抗体生物功能化。在膜基底上捕获8-OHdG可以使Au@ZIF-8纳米颗粒与CDs更接近。在350 nm激发下，Au@ZIF-8纳米粒子淬灭CDs荧光，并产生FRET效应，检出限为0.31 nmol/L。通过干扰实验表明，FRET生物传感器对8-OHdG检测具有较好的特异性。该生物传感器检测尿液中8-OHdG具有灵敏度高、选择性强、样品预处理简单等优点，并可用于检测尿液或其他生物液体中DNA损伤的生物标记物。

2.4 静态猝灭（SQE）和动态猝灭（DQE）

静态猝灭和动态猝灭也可以引起荧光猝灭现象。具体来说，在动态猝灭过程中，荧光分子的激发态与猝灭剂发生能量转移或者物理碰撞并返回基态，使得荧光猝灭的过程。Hou等[36]以苦豆叶为前驱体，采用水热法制备出了一种可用于草甘膦分析检测的荧光碳量子点，由于草甘膦可以实现对碳量子点-Fe3+体系的荧光猝灭，为了研究其猝灭机理，研究者向体系中加入了可以螯合Fe3+的磷酸盐，结果显示磷酸盐的加入并未使系统的荧光发生变化，据此推断该猝灭过程为动态猝灭。

而在静态猝灭过程中，荧光分子的基态与猝灭剂之间形成了非荧光的基态配合物，当配合物吸收光之后，会返回基态而不发射光子。Kong等[37]采用微波法制备出了以赖氨酸为前驱体的荧光发射碳量子点，与Al3+结合之后可以完成7种抗生素的特异性检测，并且对抗生素引起碳量子点猝灭的机理进行了研究，在加入抗生素之后，碳量子点的荧光寿命不发生变化且紫外可见吸收峰消失，说明生成了基态复合物，这些现象能够证明碳量子点的猝灭机理为静态猝灭。

3 碳量子点在粮油食品安全检测中的应用

3.1 重金属离子检测

随着社会的不断发展，在居民生活水平提高的同时，工业废水的排放以及工业垃圾的倾倒也使得环境中的重金属离子严重超标。而重金属离子大多难以进行有效地自我降解，最终往往通过食物链富集而进入生物体内并严重威胁生物体的健康。目前，存在于粮油食品中的重金属离子污染主要有砷、镉、汞、铅、铬5种元素。而粮油食品中的重金属离子的检测方法主要包括原子吸收光谱法[38]、电感耦合等离子体质谱法[39]、原子荧光光谱法[40]、分光光度法[41]等。这些方法虽然准确度和灵敏度较高，但存在仪器昂贵、成本较高、样品前处理复杂等缺点，因此，基于荧光碳量子点这一新型纳米材料的检测方法应运而生。

Xu等[42]选取毛尖茶和龙井茶作为碳源通过水热法成功合成了一种碳量子点，与龙井茶碳量子点相比，毛尖茶碳量子点的光学性能优良，表现出了更好的抗氧化能力，且对于Hg2+有特殊的响应能力，并成功地运用到了大米中的Hg2+的检测，检测限为6.32×10-9nmol/L。响应范围为2.00×10-7～ 6.00×10-5mol/L，在食品安全、药材质量、环境监测等诸多研究领域具有很大的潜力。而Xiao等[43]不仅通过荧光碳量子点的制备完成了对小麦幼苗中Cd2+的检测，并且可以在一定程度上降低小麦根和叶中的Cd2+污染。在Cd2+处理下，相对对照组来说，添加了50、75 mg/L碳量子点溶液的实验组小麦根和叶中Cd2+含量有所降低。该实验证明，碳量子点可以吸附Cd2+，并且提高了小麦叶片中可溶性糖、可溶性蛋白等物质的活性。这一发现证实了碳量子点可以缓解Cd2+对小麦等粮油食品的非生物胁迫，为其在环境保护和农业生产中的应用奠定了基础，也为农业重金属污染的降低提供了一个新的思路。

Bardhan等[44]用自然收集的微斜长石，通过“自上而下”的制备方法成功合成了一种荧光纳米探针，通过对天然纳米结构（MCD）中掺杂氮碳点，进一步对其进行了改性。与其他传感器相比，MCD具有良好的荧光强度、显著的pH响应和光稳定性。在添加不同离子时，MCD的荧光只在添加Cr6+发生改变，并且当加入Cr6+的情况下，MCD会出现一个巨大的“红移”现象，其最大发射荧光出现在绿色光区域，这一现象在紫外线灯下十分明显。Cr6+的荧光猝灭机制归因于传感器中部分富电子基团的亲和力，导致发生光诱导电子转移的动态猝灭。因此，MCD作为一种天然、生物相容性好、性价比高、易于使用的传感器，由于其显著的选择性和灵敏度，将成为一种潜在的荧光碳纳米材料，对于Cr6+的分析检测有着巨大的应用前景。天然的材料稍加修饰即可作为荧光碳量子点传感器用到粮油食品安全的分析检测中去，这一重大发现也启示人们，要多关注天然生物质材料，并判断将其用作荧光碳量子点的原料的可能性。

3.2 农药残留检测

农药残留是指在农业生产过程中施用农药后，少部分农药残存在粮油食品上的现象。农药固然在保障农作物产量上发挥了重要作用，但是如果过量使用农药就会导致严重的农药残留现象。当过量农药进入粮油中后，就会造成粮油污染，并危害人的健康。因此，控制粮油产品中农药残留量的关键之一就是对粮油样品进行及时准确的农药残留检测，以杜绝农药残留超标的粮油产品出现在市场上。目前我国粮油产品农药残留主要集中在三个种类：有机磷农药、有机氯农药以及氨基甲酸酯农药。其中，有机磷农药的使用范围最广，且其化学性质很不稳定，在大自然中容易分解，但由于其使用量大也被列为粮油污染的主要农药；有机氯农药的性质较为稳定，在大自然中很难被分解，且在人体内代谢速度很慢，累积时间长；而氨基甲酸酯农药，一般来说不会造成农药残留现象，但若是使用量过大也会造成一定程度的农药残留。由于农药残留对生物危害很大，各国对农药的施用都进行严格的管理，并对食品中农药残留限量作了规定。已报道的农残检测技术主要包括色谱法、酶联免疫吸附法、电化学法等，这些方法的准确性较高，但是前处理过程复杂，仪器昂贵，且需要特定的操作技能，而基于荧光碳量子点的荧光探针检测技术操作简单，省时省力，检测结果准确可信，从而备受学者们的关注。

Tafreshi等[45]以菜花前驱体为原料，采用水热法，成功合成了一种利用植物碳量子点对二嗪农、氨基脲和草甘膦三种农药残留进行荧光检测的新方法。这种碳量子点最大的优点在于操作简单、无毒无害，原料易得且工业制备成本低。二嗪农、氨基脲和草甘膦的检出限分别为0.25～2.00 ng/mL。此外，通过对实际样品中的农药残留进行检测之后发现，所开发的纳米传感器对农药残留的检测具有可重复性和准确性，在食品安全和环境监测方面具有良好的应用前景。

3.3 真菌毒素

对于粮油食品安全来说，真菌毒素的检测占据重要地位，如何提升粮油食品中真菌毒素的检测水平是科学家们密切关注的问题。粮油食品中的真菌毒素是通过真菌代谢而来，主要包括黄曲霉毒素、赭曲霉毒素A、玉米赤霉烯酮等，这些真菌毒素对于粮油食品的质量影响很大，人体摄入后往往会造成体内基因突变，甚至遗传给下一代，致癌率、致畸率较高。目前，真菌毒素的检测方法主要有薄层色谱法、免疫分析法、高效液相色谱法等，但这些方法操作复杂，且均存在一定的局限性，而近些年，基于荧光碳量子点的真菌毒素检测方法选择性好、灵敏度高，取得了令人满意的结果。

Bi等[46]利用羟基氧化钴（CoOOH）纳米片，研制了一种用于分析玉米和大麦面粉中赭曲霉毒素A（OTA）的荧光适体，并通过研究g-CNQDs的荧光寿命证明了其猝灭机理。通过范德华力将核酸适体修饰的g-CNQD（g-CNQDs-APT）吸附在CoOOH纳米片表面。因此，引发了从g-CNQDs到CoOOH纳米片的Förster共振能量转移，导致猝灭荧光。该传感器的检出限为0.5 nmol/L，在1～140 nmol/L范围内呈良好的线性关系。该适配体检测平台适用于大麦和玉米粉中OTA的测定，回收率为94.5%～101.0%，相对标准偏差小于2.24%，并且传感器具有检测速度快、成本低、选择性好、实用性强等优点，为粮油食品中真菌毒素(如AFB1、FB1等)的检测提供了一个新的平台。

Zhang等[47]在水相条件下，合成了CdTe/CdS/ZnS量子点，与抗玉米赤霉烯酮（ZEN）单克隆抗体进行偶联之后，利用该探针建立了玉米中ZEN的荧光免疫分析法（FLISA）和快速免疫层析条带（ICTS）。检测范围为0.038～0.977 ng/mL，IC50为0.162 ng/mL，检出限为0.012 ng/mL。该方法在溶液和玉米提取液中的检测限分别为1.0、1.5 ng/mL。FLISA可作为一种可靠、灵敏、便携的方法，与定量ELISA试剂盒相比，FLISA方法灵敏度更高，检测速度更快。一方面，FLISA的检出限比商业ELISA试剂盒低6倍，另一方面，在荧光免疫分析中省略了酶反应步骤，使得FLISA易于执行和节省时间。此外，整个检测过程仅耗时约8 min。因此， FLISA可用于玉米样品中ZEN污染的准确检测，而ICTS可用于快速筛查。如将荧光碳量子点技术运用到粮油领域，可以将其做成试剂盒或者层析条带的形式，以进一步拓宽荧光碳量子点在粮油食品检测中的应用。

4 结论与展望

粮油食品安全检测水平的提高是当前粮油领域面临的一项挑战，而荧光碳量子点作为一种新型的荧光纳米粒子，有望代替传统的仪器分析等方法被应用于粮油食品安全检测领域的研究。它的主要优势在于，荧光碳量子点检测方法的原料易得、操作简单，且其检测的灵敏度和选择性等丝毫不逊色于传统的仪器检测方法。此外，荧光碳量子点的商业价值巨大，如果能够将荧光碳量子点与试剂盒、层析条带等相结合的话，会进一步拓宽其在粮油食品实际样品和现场检测中的应用。然而，仅仅通过杂原子掺杂来提高荧光碳量子点的荧光强度和检测效果，终不能满足需要。迄今为止，如何更加有效地提高荧光碳量子点的荧光强度，如何寻找更绿色环保的原料来制备荧光碳量子点，以及荧光碳量子点的形成机制、如何进行调控等难题还没有确切的答案。未来，深入研究了解这些问题对荧光碳量子点在粮油食品安全检测领域具有更加重要的意义。