量子点技术在食品安全领域的研究进展

张继军 范力艺 李凡

摘 要：随着人们对食品安全的关切日益增加，现代科技在这一领域的应用备受关注。量子点技术作为近年来新兴的纳米材料，具有独特的光学和电学性质、生物相容性等，在食品安全领域的应用前景广阔。本文简要介绍了量子点的主要性能及其在食品安全领域中的应用，包括在营养组分分析、化学污染物检测、微生物检测、水质监测、量子点光谱等方面的应用，以期为食品安全检测技术的发展提供参考和思路。

关键词：量子点；食品安全；农药；微生物；量子点光谱

Research Progress on Quantum Dots Technology in Food Safety

ZHANG Jijun1， FAN Liyi1，2， LI Fan1*

（1.COFCO Nutrition & Health Research Institute， Beijing 102209， China; 2.COFCO Biotechnology Co.， Ltd.， Beijing 102209， China）

Abstract： With peoples increasing concern of food safety， the application of modern technology has attracted much attention. Quantum dot technology， as an emerging nanomaterial in recent years， has excellent optoelectronic properties， biocompatibility， and stability， which make it widely applicable in food safety. This paper briefly introduces main properties of quantum dots and their applications in food safety， including nutrient composition analysis， chemical pollutant detection， microbial detection， water quality monitoring， quantum dot spectroscopy， in order to provide reference and ideas for the development of food safety detection technology.

Keywords： quantum dot; food safety; pesticides; microorganism; quantum dot spectroscopy

随着人们生活水平的不断提高，人们对食品安全的关注度越来越高。传统的食品安全检测方法通常需要耗费大量的时间和人力、物力，因此找到一种快速、准确、可靠地检测食品成分和污染物的方法备受关注。量子点（Quantum Dots，QDs）作为近年来新兴的纳米材料技术，在科学研究和工程中的应用越来越广泛，在光学、电子学、生物学和医学等领域发挥着重要的作用[1]。本文论述了量子点技术，特别是碳量子点（Carbon Quantum Dots，CQDs）在食品安全领域的应用进展，并探讨其未来发展方向。

1 量子点的主要性能

量子点是一种纳米材料，大小通常为1～10 nm，具有独特的光学和电学性质，如量子尺寸效应、高光稳定性、窄发射光谱等。调节量子点的尺寸、形状和结构可调控其能带带宽、吸收光、发射光的颜色等[2]。因其独特的结构特点和光电性质，QDs近年来被广泛应用在能源、环境、工业、生物和医疗等领域。

2 量子点的主要合成方法

QDs的合成方法主要分为“自上而下”“自下而上”两大类方法，包括水热法、溶剂热合成法、电化学法、湿化学法和气相沉积法等[3-4]。其中，溶劑热合成法是一种简单易行的方法，可以在较短的时间内制备出高质量的量子点[5]。与无机半导体荧光材料相比，碳量子点具有亲水性、低毒、生物相容性高、生产成本低和易规模化生产等特点[6-7]。近年来，以小分子和可再生资源生物质为前体开发的绿色合成方法为高效绿色制备CQDs提供了新思路，具有绿色环保、低成本、可持续的应用前景[8-9]。

3 量子点技术在食品安全与分析中的应用

有毒重金属残留、农兽药残留、致病病原体污染以及使用非法添加剂等均是食品存在的主要问题。质谱、色谱、红外光谱和电感耦合等离子体质谱等常规的分析方法可以准确检测食品中的有毒有害物质，但样品前处理烦琐、检测耗时长、成本高。基于量子点的快检方法比传统检测技术成本低、耗时短、操作简便，且无损伤，为食品安全检测提供了新思路[10-11]。

3.1 营养组分检测

食品中含有多种营养素，如碳水化合物、蛋白质、脂类等，对于保持人类的健康饮食非常重要，量子点技术可用于检测食品中的多种营养素。QDs可与醇溶蛋白抗体偶联，用作荧光探针追踪面团和烘焙面包中醇溶蛋白的分布[12]。含有羧基封端基团的水溶性CdSe/ZnS核/壳量子点可与谷蛋白和玉米醇溶蛋白以共价键结合[13]。具有核壳结构的分子印记荧光传感器（SiO2@QDs@ms-MIPs）可检测藻蓝蛋白[14]。氮掺杂碳量子点和DNA具有强静电作用，由此构建的自组装纳米探针可有效检测鱼精蛋白，具有快速、简单、灵敏的特点[15]。通过调控环境温度可以调节印迹材料（ucnps@mofs@mip）对牛血红蛋白的识别和检测，其对牛血红蛋白的吸附量远高于传统分子印迹材料[16]。

葡萄糖是细胞代谢的主要能量来源，在人体内的浓度、代谢等与糖尿病等疾病的发生密切相关。因此，检测体液中葡萄糖的含量非常重要。基于氮掺杂碳点和CdTe量子点平台的荧光探针可用于H2O2/葡萄糖检测[17]。一种具有过氧化物模拟酶活性的水溶性CQDs对葡萄糖的检出限为5.10 μmol·L-1（S/N=3）[18]。

3.2 化学污染物检测

化学污染物包括重金属、农兽药残留等，是食品安全领域的重要关注点。基于CQDs的荧光探针可用于检测金属离子，Hg2+、Fe3+、Cu2+、Ag+、Al3+、Pb2+和Co2+均能被定量检测。与传统检测方法相比，基于CQDs的纳米传感器在灵敏度和选择性方面具有明显优势[8]。不同基团修饰的Mn∶ZnS QDs可构建4种QDs传感器阵列，能同时检测Cu2+、Hg2+、Ag+和Cd2+等[19]。石墨相氮化碳量子点对Fe3+/Fe2+、Hg2+等金属离子，Cl-、F-、I-和NO2-等阴离子的检测均有研究报道[20]。

在农作物生长过程中可能会使用农药三唑磷、百草枯等，若清洗不彻底，残留农药会进入人体，严重危害人类健康。采用CdSe/ZnS QDs荧光免疫法可方便、快速地检测农作物中残留的三唑磷，该方法检出限为0.508 ng·L-1，检测范围为0.01～25.00 μg·L-1[21]。使用水溶性CdSe/ZnS QDs检测水样中百草枯，检测限低达3.0 ng·L-1，该方法简便快捷、重现性好[22]。

基于CdSe QDs的荧光传感器可检测莱克多巴胺、环丙沙星等兽药残留[10]。壳聚糖修饰的多壁碳纳米管分子印迹聚合物电极对猪肉中残留的喹噁啉-2-羧酸的电化学响应非常灵敏，由此建立的检测方法检测限为4.4×10-7 mol·L-1（S/N=3） [23]。

3.3 微生物检测

微生物污染是食源性疾病的主要原因。量子点技术已被用于检测食品中的微生物污染，如沙门氏菌、大肠杆菌等。采用CdSe QDs荧光探针可快速检测食源性大肠杆菌、金黄色葡萄球菌，其检出限为102 CFU·mL-1，可在1～2 h内完成细菌总数检测[24]。CQDs已被应用于大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、酵母菌和枯草芽孢杆菌等微生物细胞成像[25]。

平板计数、菌落计数等传统检测技术难以满足对食源性病原体的快速检测要求，迫切需要开发快速、灵敏、简单易行的检测方法。量子点尺寸紧凑，检测限低、耗时短、性能稳定，为便携式快检设备提供了一种解决方案，与智能手机相结合的检测方法有助于产生新的应用突破，绿色、低毒量子点材料对食源性病原体的检测具有实际的应用价值[26]。

3.4 食品非法添加剂检测

食品中非法添加是食品安全领域的重要关注点，QDs已被用于检测食品中的非法添加剂。在三聚氰胺事件后，对乳品中三聚氰胺进行检测非常重要，贺超才等[27]、苏安梅等[28]研究团队发现使用CQDs荧光技术可快速检测乳品中的三聚氰胺，检出限分别为0.01 μg·mL-1和2.2 mg·L-1，两种方法均能满足实际工作中对三聚氰胺检测的要求。

石墨相氮化碳量子点能检测酚类、三聚氰胺等有机化合物和膽固醇、抗坏血酸、多巴胺、谷胱甘肽和核黄素等生物医药试剂[20]。使用CdSe QDs可快速检测猪肉中的瘦肉精（沙丁胺醇），其检出限为0.005 6 ng·mL-1[29]；CdSe QDs技术还可检测食品中其他小分子，如组胺、三甲胺、香兰素等[10]。

3.5 水质监测

近年来，水环境的监测治理问题愈发重要，量子点可用于水质监测。富氧羟基CQDs的高灵敏度荧光探针可用于饮用水中Cu2+的检测，其最低检测限为10 nmol·L-1[30]。谷胱甘肽稳定的CdSe量子点对六价铬具有灵敏的荧光猝灭作用，该方法对水中痕量Cr6+的检出限为0.01 μg·L-1，具有检测数据重现性好、灵敏、准确等优点[31]。通过一步水热法合成的水溶性好、稳定性高的CQDs可以用于环境水样中Hg2+的快速检测，检出限为2.3 nmol·L-1（S/N=3）[32]。基于类石墨相氮化碳量子点的荧光化学传感器可用于检测水相中的三硝基苯酚[33]。

3.6 量子点光谱

半导体量子点具有吸收谱带宽、发射谱带窄、量子产率高等优点，是制备探测器、量子光源等的优质材料[34]。量子点滤光片是量子点光谱仪的核心元件，由具有不同滤光特性的量子点薄膜阵列组成。国际上首次报道的胶体量子点微型光谱仪的量子点滤光片是由195种量子点组成的透光薄膜阵列[35]。

绝大多数微型光谱仪的成本较高，而量子点芯片的制造成本很低，技术成熟后还可进一步降低。许多微型光谱仪在复杂环境下工作稳定性会明显降低，而量子点稳定的吸收特性使其光谱重建结果具有更高的重现性，可长时间户外监测使用。此外，通过增加量子点数目、提高探测器精度、优化算法和引入神经网络深度学习等，可以进一步提高量子点光谱仪的光谱重建精度，提升光谱探测性能[34-35]。

量子点光谱仪是一个集量子点技术、光谱学、电子学等多种技术于一体的高科技仪器，在食品、环境、医药和生物技术等领域具有广阔的应用场景。

4 结语

与传统分析检测方法相比，量子点技术具有快速、灵敏、无损和经济实用等优点，在食品领域的应用前景广阔，并取得了一定研究进展。碳量子点在分析检测、生物成像、细胞追踪等领域应用越来越广，其在重金属离子的分类测定、测量生物小分子结构、测定细胞器组成等方面发挥巨大作用。尽管量子点技术在食品安全领域具有许多优点，但仍存在一些挑战和问题。①需要进一步优化量子点的制备方法和表面修饰技术，以提高其稳定性、安全性、灵敏度。②需要建立更加完善的检测标准和规范，以确保量子点技术在食品安全领域的准确性和可靠性。③需要进一步研究量子点技术在实际生产应用中的可行性、经济性等。

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