荧光碳量子点在食品安全快速检测中的应用

李天歌，黄宇琪，郭 歌，宋莲军

（河南农业大学 食品科学技术学院，河南郑州 450000）

碳量子点（Carbon Quantum Dots，CQDs）作为一种新型的荧光纳米材料，于2004年首次在碳纳米管的电泳提纯实验中被发现[1]。此后CQDs的合成、检测机制及应用的相关研究得到迅速发展。有许多材料可用于合成CQDs，包括天然有机物、有机提取物和一些含碳无机物，目前以天然物质为前体的水热法制备CQDs在研究中受到了相关学者的极大关注。CQDs具有优良的光学性能、稳定性，且具有低毒、生物相容性好的优点，有助于其在食品分析检测中的应用。本文对CQDs的合成方法、荧光检测机制进行综述，并以食品安全检测分析物为对象分类，分析讨论了基于CQDs在食品安全快速检测中的应用现状及未来发展前景。

1 碳量子点的合成方法

CQDs合成方法主要可分为“自上而下”法和“自下而上”法。“自上而下”法采用电弧放电、激光消蚀、电化学氧化等技术将较大的碳结构（如石墨、碳纳米管、碳黑和碳纳米金刚石等）分解，再经表面钝化后合成；在“自下而上”的合成方法中，有机前体可以通过溶剂热合成方法、热解、微波辅助聚合和碳化聚合制成CQDs。“自上而下法”合成碳量子点性能较好，但操作工艺复杂、不易控制和转化率低，不适合大规模生产。相比之下，“自下而上”法虽操作纯化较为困难，但简便可控，产率高且节约成本。其中水热法因反应迅速、易控制晶体尺寸，现已成为合成CQDs的主要方法。但这些方法在合成过程中可能会加入强酸、强碱或具有强氧化性的有毒溶剂，增加了CQDs的纯化难度和生物安全风险。目前以天然、可生物降解或可再生原料为主要碳源，如以动物（虾壳、猪皮）、果蔬（胡萝卜根、香蕉皮）、食物和饮料（麦片、啤酒）以及其他（柳树皮、咖啡渣）来源为前体，经一步水热法制成绿色、无毒、经济效益高的CQDs，合成过程无需添加其他溶剂、无需特定设备，有助于提高食品副产品的利用价值，减少生物质废物对环境的有害影响，可为食品安全快速检测方法提供新的技术手段。

2 量子点荧光检测机制

碳量子点具有量子限制、可见光吸收、光致氧化还原等光学特性，对制备新型高质量发光的荧光探针具有重要意义。目前公认的碳量子点的发光机制有3种，包括共轭π域引起的能量跃迁、电子-空穴对的复合发光、分子态发光。然而因CQD合成原料来源广泛、制备方法多样及其成分和结构复杂，很难形成统一的理论，因此CQDs的发光机制仍需进一步研究。在食品分析应用中，基于CQDs的荧光传感器的原理通过量子点的荧光增强（Onoff-on）或荧光猝灭（On-off）实现。以CQDs为基础的荧光探针检测目标物的检测机制常见的有以下几种。①荧光共振能量转移（FRET），同时满足荧光探针（供体）的发射光谱和受体的吸收光谱有很好的重叠和供体和受体之间距离＜10 nm 两个条件，荧光供体和受体发生FERT效应。②内滤效应（Inner Filtering Effect，IFE），当目标物质的吸收光谱和探针的荧光激发或发射光谱重叠时，探针通过IFE荧光猝灭。③光致电子转移（Photoinduced Electron Transfer，PET），指当电子供体和电子受体同时被激发，发生电子转移导致荧光猝灭的过程。其他检测机制还有静态猝灭效应、动态（碰撞）猝灭效应、分子内电子转移和聚集诱导发光等。这些检测机制的相互协作使用可为实际检测中提供多种验证 方法。

3 碳量子点在食品安全快速检测中的应用

3.1 检测食源性致病菌

食源性致病菌以食物基质为主要途径进入人体宿主细胞，造成食物中毒如腹泻、呕吐和全身感染以及其他疾病。近年来，由食源性病原体引起的食品安全事故频发，因此，开发检测食品中病原体的技术至关重要。目前检测食源性致病菌的方法有菌落培养、聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）和酶联免疫吸附测定法（Enzyme Linked Immunosorbent Assay，ELISA）等，但这些方法耗时、操作复杂、不便携。而用具有低毒、环保、光学特异性好的合成CQDs作为荧光探针，在食源性致病菌的检测方面极具发展潜力。HU等[2]以橘皮为碳源，微波辅助合成CQDs，将适配体标记的CQDs和互补DNA标记的磁性纳米粒子（Magnetic Nanoparticles，MNPs）制成用于检测大肠杆菌的荧光探针（Carbon Quantum Dots-Magnetic Nanoparticles，CQD-MNPs），结 果发现CQD-MNPs的荧光强度随着大肠杆菌的添加而降低，检测范围为500～106CFU·mL-1，检测限为487 CFU·mL-1。用这种方法对被大肠杆菌污染的牛奶样品进行分析，与平板计数法结果一致。这种荧光探针在保证食品质量和安全方面表现出巨大的潜力。

3.2 检测重金属离子

环境中的重金属离子如铁（Fe3+）、汞（Hg2+）、铜（Cu2+）等通过饮用水、食物或皮肤吸收进入人体，会对器官造成严重损伤，因此对重金属离子的检测具有根本意义。基于荧光CQDs与重金属离子发生电子转移形成络合物，使得CQDs荧光猝灭或增强，可以实现对重金属离子的简单、快速检测。HU等[3]在实验中，以苦茶油残渣和尿素分别为碳源和氮源制备氮掺杂的CQDs，由于CQDs表面具有丰富的酚基和羟基，与Fe3+配位产生猝灭效应。Hg2+优先吸附在CQDs表面的含氮基团上，如酰胺键、吡咯、吡啶官能团，具有较强的亲和力，猝灭大量的CQDs光致发光发射。此CQDs可用于简单、快速、选择性检测金属离子Hg2+和Fe3+。

3.3 检测农兽药残留

农兽药滥用和残留问题对农业、生态环境、动物食品安全乃至人体的健康带来严重危害，因此，灵敏度高、特异性强、操作方便快捷、高通量的农药残留分析技术展现出重要的应用价值。传统检测农兽药残留的方法因其具有耗材昂贵、响应时间长等缺点，在实际应用上受限。有研究者[4]尝试将无农药花椰菜为原料合成水溶性的CQDs。二嗪农、尿素和草甘膦以浓度依赖的方式与CQDs相互作用导致荧光猝灭，在紫外灯下观察到CQDs颜色由亮变暗，检测限分别为0.25 ng·mL-1、0.5 ng·mL-1和2 ng·mL-1。为了能对四环素（Tetracycline，TC）进行特异性识别，QI等[5]利用柚子皮作为碳源合成具有蓝色荧光的新型水溶性氮掺杂的碳量子点，基于内滤效应可成功检测牛奶中的TC。在0～100 mmol·L-1的线性范围内测量TC浓度，检测限低至0.045 mmol·L-1，检测结果在90 s内得到，相对于其他方法检测速度显著提高。该新型荧光CQDs的传感器能在不使用任何特殊仪器的情况下以简单、高效、灵敏的方式进行检测，因而成为了检测TC的替代方法。

3.4 检测食品添加剂

食品添加剂在食品工业中被广泛使用，以延长食品的保质期、改善其感官特性和促进工业发展。然而，过度使用食品添加剂会导致食物中毒、器官损伤、细胞病变和癌症，因此研究快速有效检测食品添加剂的方法至关重要。CARNEIRO等[6]使用天然种子通过简单的一步水热法合成CQDs，在最大激发波长（360 nm）下评估与检测柠檬酸、乳酸、抗坏血酸、苯甲酸钠和山梨酸钾的性能，在真实的腌制橄榄样品中以95 %的置信度准确识别出5种食品添加剂，检测限为252 ng·mL-1，结果证明基于CQDs的荧光传感器在食品添加剂检测中具有一定的准确性。

4 结语

本文基于荧光CQDs探针的合成方法、检测机制以及在食源性致病菌、重金属离子、农兽药残留、食品添加剂安全检测中的应用进行综述。构建的荧光探针能够实现现场快速检测，即使非专业人士也可以通过简单操作得到检测数据，在食品安全快速检测领域具有广阔的应用前景。然而，在食品分析的实际应用中，仍有一些问题有待解决，样品基质的复杂性使得快速检测的难度增加，排除其他干扰物检测指定目标物对构建高特异性和选择性的CQDs至关重要。除此之外，这些检测技术大部分仍局限于实验室研究中，没有实现工业化生产。因此未来的研究方向应着重于CQDs绿色原料的选择、特异性的提高，以及发展复杂基质中的现场可视化检测技术并应用于市场等方面，为进一步促进量子点的开发、扩大其在食品质量安全快速检测中的应用范围提供新的思路。