基于碳量子点的荧光分析法在食品安全检测中的应用

王方玲

碳量子点（Carbon quantum dots，CQDs）是一种近年来出现的新型碳纳米材料，具有优秀的光学性质，其以简便的制备方法、生物毒性低的优势得到了广泛应用，受到了科研人员的重视。基于CQDs的荧光分析法作为一种新兴的光谱分析方法，具有操作简洁、灵敏度高、线性范围宽、精密度高以及可以同时进行多个通道或对痕量的物质进行检验等多种优点，逐渐被应用到了食品检测领域。本文分析了基于碳量子点的荧光分析法在食品检测领域内不同检测对象的应用现状，并对其发展前景进行了展望，旨在促进食品安全检测技术的进一步发展，为食品安全提供进一步的保障。

一、碳量子点的荧光分析法概述

1.荧光分析法的基本原理。荧光分析法是指一类以光为主要激发来源，介于发射光谱法和吸收谱线法之间的光谱分析法，其能够对化合物中的各种组分做出定性或定量分析。按照光谱分类的不同，荧光分析法可分为原子荧光分析法和原子基于碳量子点的荧光分析法。两类分析法的基本原理相同，当物质在吸收了一定能量的光分之后，外部电子转移至高能级的轨道上，使分子之间从基态变成了激发态。而由于处在激发态的分子之间能量是不稳定的，所以其外部的电子便能够同时经由辐射跃迁和非辐射跃迁这两条路径，自发地返回低能级轨道。在此过程中，会有一些电能以光的形式出现，而这种形式的光线即为荧光。由于各种化学物质所产生的荧光波长不同，因此可通过检测物品所产生的荧光的不同对其进行定性分析;在规定的物质含量范围内，由于某些化学物质所产生荧光的力度和水溶液中这种化学物质的含量水平之间具有正比关联，所以也可通过检测物品的荧光力度对其在水溶液中的浓度变化进行解释。

2.荧光分析法使用的仪器。按照内部结构的差异，荧光分析方法所用的仪器设备一般包括分子荧光亮度计和荧光分光光度计两类，两种仪器设备的重要组成部分均为激发光源、分光系统、试样池、测试体系等。为了防止激发光源对测量信号产生影响，两类仪表的检测器和灯光的排布方向都成一定夹角。两类仪器设备在分光体系的构造上有所区别：在荧光亮度计中，常采用滤光镜以减少杂散光和辐射光;而在荧光分光光度计中，光栅衍射等色散式的单色器件常被作为对进入光和发出光波段的选择。当测量对象是分子时，需要选择分子荧光亮度计作为分析方法的仪器设备。

二、基于CQDs的荧光分析法测量重金属离子

食品中的重金属离子容易导致人体慢性中毒，如果没有及时检测出食品中对人体有害的重金属离子，一旦这些有害的重金属离子被人体所摄入，就会在人体中慢慢累积，并损害人的机体，等到有症状发作的时候往往已经处于中毒的晚期。所以，对重金属离子的严格检测是提高食品安全的重要内容。目前常用的重金属离子测定方式一般有下列几类：色谱法、质谱法、比色法等。然而以上检测方法的缺点是操作不便、价格高昂、检测速度慢，相对来说，采用CQDs的金属荧光探测器是更加简便、快速的检测方法。

1. Hg2+的检测。Hg2+中的化学物容易对人体的神经系统结构或者功能造成严重的损害。这种化学物质能够和蛋白质的疏基进行结合并产生出能够降低酶活性的成分，进而影响细胞正常的新陈代谢。例如著名的日本“水俣病”事件，就是因为从工厂排出的废水中含有大量的汞元素，进入生态环境中后富集在鱼体中，人类食用之后产生了中枢神经系统的病变。研究发现，比率式荧光检测系统具有良好的抗环境干扰性能，能够有效提高荧光分析的灵敏度和荧光检测系统的稳定性。

2.Cu2+的检测。Cu2+对于人体的健康成长起着关键作用，人体一旦缺乏这种微量元素，人体细胞的新陈代谢功能、神经元功能、血红蛋白以及线粒体呼吸功能就会受到严重影响。但是，这种金属离子也不能摄入过多，一旦摄入过多，就会对人体的肾脏和肝脏造成损害，严重的还会引发阿兹海默症和帕金森病。研究证明，CQDs可以对Cu2+快速产生响应，比较适合现场检测和快速检测。

3. Fe3+的检测。Fe3+对于人体的健康成长也起到非常重要的作用，如果人体缺少这种微量元素，轻则发生贫血，重则引发智力下降、阿兹海默症、帕金森病、血色素沉着症、糖尿病和癌症等。它主要存在于人体的脾部、肺部以及肝脏的位置，但其实人身上的很多组织中都有它的身影。在检测Fe3+的方法中，水热法是一种较为合适的检测方法，可以利用柠檬酸合成CQDs，Fe3+通过与CQDs表面羟基发生非辐射电子转移实现配位，从而使得CQDs荧光猝灭。该实验所制备的N-CQDs溶解度十分优异，且具有稳定性强、荧光强度高、生物毒性低的优点。

三、基于CQDs的荧光分析法检测兽药残留

在畜牧业，养殖户为了防止动物生病会大量使用抗生素，这些抗生素会残留在动物体内，造成畜产品中有兽药残留。人们若长期食用含有兽药残留的动物食品，会严重威胁人们的身体健康。由于CQDs的表面分布着大量亲水基团（羧 基、羟基），这使CQDs与抗生素的结合成为可能，研究发现，基于CQDs的荧光探针可以快速检测抗生素的含量。

四、基于CQDs的荧光分析法检测农药残留

农药残留是指农药在饮用水和食品中的留存。农药有着猛烈的毒性，能够杀死植物中的病蟲害，也能够对人体造成危害。农药在食品中的残留即使浓度很低，也能对人体机能造成严重的损害，因此必须加强食品农药残留检测工作。研究学者Wu X L尝试以商业叶绿素为对象，用水热合成法合成出一种能够调节的发射荧光的CQDs，并且创造出一种用于检测有机磷农药（OPs）的CQDs-AuNP系统，这种检测系统能够快速准确地识别大米、胡萝卜、橘子中的农药残留。目前，基于CQDs的荧光探针已经被广泛应用于农药残留的快速检测中，但由于这种方法在实际应用中容易受到检测样品中重金属离子的干扰，因此受到了一定的限制。

五、基于CQDs的荧光分析法检测色素

合成色素是现代食品加工业的主要使用物质，例如柠檬黄、胭脂红等，将其添加到食品中可以增加食品的色彩，但人若长期食用色素含量超标的食品会影响人体的健康，因此色素的使用剂量必须在规定范围之内。而对于一些已经被禁用的色素，如苏丹Ⅰ、孔雀石绿等，需要用灵敏度更高、检测速度更快的荧光光谱技术进行检测。E6127119-5FD9-4AB1-AD68-751B9C896505

1.检测可食用合成色素。胭脂红、柠檬黄、苋菜红是日常生活中比较常见的能够添加到食品中的食用色素，但是有些商家为了使食品颜色更好看，会过量添加食用色素，人体若经常食用含有过量色素的食品会对身体不利，比如食用含有过量柠檬黄的食品有可能会发生腹泻和过敏，更严重的会损伤肝脏和肾脏;而食用含有过量胭脂红的食品则有可能引发肿瘤。在检测食品中色素的各种检测技术中，基于CQDs的荧光分析法有着广泛的应用。比如，从柠檬皮中提取碳元素制成CQDs，可以用来检测饮料中的胭脂红。经过抗干扰实验可知，柠檬酸、蔗糖、VC等是一种潜在的干扰物质，会影响到胭脂红的荧光猝灭反应。因此，这种CQDs方法对胭脂色的测定范围是0.20mg/L-30.00mg/L。

2.检测非法添加色素。非法添加色素之所以被禁止使用，是因为其本身有着严重的有害性，例如苏丹1具有高度致癌的特性。但是在经济利益的驱使下，非法添加色素的行为仍然存在。采用水热合成法以废弃香烟滤嘴作为碳源合成具有较好稳定性的CQDs，基于FRET原理可以检测辣椒粉、辣椒酱和番茄酱中的苏丹Ⅰ。实验结果表明，该荧光探针的检测线性范围为2.40μmol/L-104.0μmol/L（R2=0.991），检测限为0.95μmol/L。并且在Cu2+、山梨酸钾、VC等干扰下，该方法依然对苏丹Ⅰ具有较好的选择性。

六、基于CQDs的荧光分析法检测三聚氰胺

三聚氰胺是一种有机化合物，常常被应用于工业领域，由于其能够提高乳制品的蛋白含量，因而被不法商家添加到奶粉中。虽然三聚氰胺的毒性很低，但是如果长期食用，容易引发肾结石，严重影响人体的身体健康。通过研究可知，能够借助溶剂的热反应得到一种具有强光致发光特性的硅掺杂碳量子点（Si-CQDs），过氧化氢（H2O2）与Si-CQDs之间发生ICT从而引起荧光猝灭现象，基于三聚氰胺与过氧化氢（H2O2）可以反映出一种比较稳定的化合物。所以，可以将三聚氰胺加入到Si-CQDs-H2O2体系中，进而去除硅掺杂碳量子点（Si-CQDs）表面的荧光。因此，这种荧光传感系统可以有效检测食品中三聚氰胺的含量。

综上所述，CQDs在重金属离子、兽药残留、农药残留、食品添加剂（色素）、三聚氰胺的检测方面都有所应用，并且能够进行现场快速检測，即使对于非专业研究人员来说，也可以使用这种办法获得检测数据。从上述检测实验可以发现，大多数研究人员采用了水热合成法，也有部分研究人员使用微波合成法和超声法，但是这些方法目前仅仅适用于实验室，还没有达到在工业上推广应用的条件。笔者认为，未来研究的重点应该放在选择合适的天然材料、进一步改进合成方法以及提高合成CQDs的产量上面。此外，走出实验室、提高市场化也是该技术需要突破的最大难关。E6127119-5FD9-4AB1-AD68-751B9C896505