李天歌，黃宇琪，郭 歌，宋蓮軍

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450000）

碳量子點(diǎn)（Carbon Quantum Dots，CQDs）作為一種新型的熒光納米材料，于2004年首次在碳納米管的電泳提純實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)[1]。此后CQDs的合成、檢測(cè)機(jī)制及應(yīng)用的相關(guān)研究得到迅速發(fā)展。有許多材料可用于合成CQDs，包括天然有機(jī)物、有機(jī)提取物和一些含碳無機(jī)物，目前以天然物質(zhì)為前體的水熱法制備CQDs在研究中受到了相關(guān)學(xué)者的極大關(guān)注。CQDs具有優(yōu)良的光學(xué)性能、穩(wěn)定性，且具有低毒、生物相容性好的優(yōu)點(diǎn)，有助于其在食品分析檢測(cè)中的應(yīng)用。本文對(duì)CQDs的合成方法、熒光檢測(cè)機(jī)制進(jìn)行綜述，并以食品安全檢測(cè)分析物為對(duì)象分類，分析討論了基于CQDs在食品安全快速檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展前景。

1 碳量子點(diǎn)的合成方法

CQDs合成方法主要可分為“自上而下”法和“自下而上”法?！白陨隙隆狈ú捎秒娀》烹?、激光消蝕、電化學(xué)氧化等技術(shù)將較大的碳結(jié)構(gòu)（如石墨、碳納米管、碳黑和碳納米金剛石等）分解，再經(jīng)表面鈍化后合成；在“自下而上”的合成方法中，有機(jī)前體可以通過溶劑熱合成方法、熱解、微波輔助聚合和碳化聚合制成CQDs。“自上而下法”合成碳量子點(diǎn)性能較好，但操作工藝復(fù)雜、不易控制和轉(zhuǎn)化率低，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。相比之下，“自下而上”法雖操作純化較為困難，但簡(jiǎn)便可控，產(chǎn)率高且節(jié)約成本。其中水熱法因反應(yīng)迅速、易控制晶體尺寸，現(xiàn)已成為合成CQDs的主要方法。但這些方法在合成過程中可能會(huì)加入強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或具有強(qiáng)氧化性的有毒溶劑，增加了CQDs的純化難度和生物安全風(fēng)險(xiǎn)。目前以天然、可生物降解或可再生原料為主要碳源，如以動(dòng)物（蝦殼、豬皮）、果蔬（胡蘿卜根、香蕉皮）、食物和飲料（麥片、啤酒）以及其他（柳樹皮、咖啡渣）來源為前體，經(jīng)一步水熱法制成綠色、無毒、經(jīng)濟(jì)效益高的CQDs，合成過程無需添加其他溶劑、無需特定設(shè)備，有助于提高食品副產(chǎn)品的利用價(jià)值，減少生物質(zhì)廢物對(duì)環(huán)境的有害影響，可為食品安全快速檢測(cè)方法提供新的技術(shù)手段。

2 量子點(diǎn)熒光檢測(cè)機(jī)制

碳量子點(diǎn)具有量子限制、可見光吸收、光致氧化還原等光學(xué)特性，對(duì)制備新型高質(zhì)量發(fā)光的熒光探針具有重要意義。目前公認(rèn)的碳量子點(diǎn)的發(fā)光機(jī)制有3種，包括共軛π域引起的能量躍遷、電子-空穴對(duì)的復(fù)合發(fā)光、分子態(tài)發(fā)光。然而因CQD合成原料來源廣泛、制備方法多樣及其成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難形成統(tǒng)一的理論，因此CQDs的發(fā)光機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。在食品分析應(yīng)用中，基于CQDs的熒光傳感器的原理通過量子點(diǎn)的熒光增強(qiáng)（Onoff-on）或熒光猝滅（On-off）實(shí)現(xiàn)。以CQDs為基礎(chǔ)的熒光探針檢測(cè)目標(biāo)物的檢測(cè)機(jī)制常見的有以下幾種。①熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET），同時(shí)滿足熒光探針（供體）的發(fā)射光譜和受體的吸收光譜有很好的重疊和供體和受體之間距離＜10 nm 兩個(gè)條件，熒光供體和受體發(fā)生FERT效應(yīng)。②內(nèi)濾效應(yīng)（Inner Filtering Effect，IFE），當(dāng)目標(biāo)物質(zhì)的吸收光譜和探針的熒光激發(fā)或發(fā)射光譜重疊時(shí)，探針通過IFE熒光猝滅。③光致電子轉(zhuǎn)移（Photoinduced Electron Transfer，PET），指當(dāng)電子供體和電子受體同時(shí)被激發(fā)，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致熒光猝滅的過程。其他檢測(cè)機(jī)制還有靜態(tài)猝滅效應(yīng)、動(dòng)態(tài)（碰撞）猝滅效應(yīng)、分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移和聚集誘導(dǎo)發(fā)光等。這些檢測(cè)機(jī)制的相互協(xié)作使用可為實(shí)際檢測(cè)中提供多種驗(yàn)證 方法。

3 碳量子點(diǎn)在食品安全快速檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1 檢測(cè)食源性致病菌

食源性致病菌以食物基質(zhì)為主要途徑進(jìn)入人體宿主細(xì)胞，造成食物中毒如腹瀉、嘔吐和全身感染以及其他疾病。近年來，由食源性病原體引起的食品安全事故頻發(fā)，因此，開發(fā)檢測(cè)食品中病原體的技術(shù)至關(guān)重要。目前檢測(cè)食源性致病菌的方法有菌落培養(yǎng)、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）和酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定法（Enzyme Linked Immunosorbent Assay，ELISA）等，但這些方法耗時(shí)、操作復(fù)雜、不便攜。而用具有低毒、環(huán)保、光學(xué)特異性好的合成CQDs作為熒光探針，在食源性致病菌的檢測(cè)方面極具發(fā)展?jié)摿?。HU等[2]以橘皮為碳源，微波輔助合成CQDs，將適配體標(biāo)記的CQDs和互補(bǔ)DNA標(biāo)記的磁性納米粒子（Magnetic Nanoparticles，MNPs）制成用于檢測(cè)大腸桿菌的熒光探針（Carbon Quantum Dots-Magnetic Nanoparticles，CQD-MNPs），結(jié) 果發(fā)現(xiàn)CQD-MNPs的熒光強(qiáng)度隨著大腸桿菌的添加而降低，檢測(cè)范圍為500～106CFU·mL-1，檢測(cè)限為487 CFU·mL-1。用這種方法對(duì)被大腸桿菌污染的牛奶樣品進(jìn)行分析，與平板計(jì)數(shù)法結(jié)果一致。這種熒光探針在保證食品質(zhì)量和安全方面表現(xiàn)出巨大的潛力。

3.2 檢測(cè)重金屬離子

環(huán)境中的重金屬離子如鐵（Fe3+）、汞（Hg2+）、銅（Cu2+）等通過飲用水、食物或皮膚吸收進(jìn)入人體，會(huì)對(duì)器官造成嚴(yán)重?fù)p傷，因此對(duì)重金屬離子的檢測(cè)具有根本意義。基于熒光CQDs與重金屬離子發(fā)生電子轉(zhuǎn)移形成絡(luò)合物，使得CQDs熒光猝滅或增強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的簡(jiǎn)單、快速檢測(cè)。HU等[3]在實(shí)驗(yàn)中，以苦茶油殘?jiān)湍蛩胤謩e為碳源和氮源制備氮摻雜的CQDs，由于CQDs表面具有豐富的酚基和羥基，與Fe3+配位產(chǎn)生猝滅效應(yīng)。Hg2+優(yōu)先吸附在CQDs表面的含氮基團(tuán)上，如酰胺鍵、吡咯、吡啶官能團(tuán)，具有較強(qiáng)的親和力，猝滅大量的CQDs光致發(fā)光發(fā)射。此CQDs可用于簡(jiǎn)單、快速、選擇性檢測(cè)金屬離子Hg2+和Fe3+。

3.3 檢測(cè)農(nóng)獸藥殘留

農(nóng)獸藥濫用和殘留問題對(duì)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、動(dòng)物食品安全乃至人體的健康帶來嚴(yán)重危害，因此，靈敏度高、特異性強(qiáng)、操作方便快捷、高通量的農(nóng)藥殘留分析技術(shù)展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)檢測(cè)農(nóng)獸藥殘留的方法因其具有耗材昂貴、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用上受限。有研究者[4]嘗試將無農(nóng)藥花椰菜為原料合成水溶性的CQDs。二嗪農(nóng)、尿素和草甘膦以濃度依賴的方式與CQDs相互作用導(dǎo)致熒光猝滅，在紫外燈下觀察到CQDs顏色由亮變暗，檢測(cè)限分別為0.25 ng·mL-1、0.5 ng·mL-1和2 ng·mL-1。為了能對(duì)四環(huán)素（Tetracycline，TC）進(jìn)行特異性識(shí)別，QI等[5]利用柚子皮作為碳源合成具有藍(lán)色熒光的新型水溶性氮摻雜的碳量子點(diǎn)，基于內(nèi)濾效應(yīng)可成功檢測(cè)牛奶中的TC。在0～100 mmol·L-1的線性范圍內(nèi)測(cè)量TC濃度，檢測(cè)限低至0.045 mmol·L-1，檢測(cè)結(jié)果在90 s內(nèi)得到，相對(duì)于其他方法檢測(cè)速度顯著提高。該新型熒光CQDs的傳感器能在不使用任何特殊儀器的情況下以簡(jiǎn)單、高效、靈敏的方式進(jìn)行檢測(cè)，因而成為了檢測(cè)TC的替代方法。

3.4 檢測(cè)食品添加劑

食品添加劑在食品工業(yè)中被廣泛使用，以延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期、改善其感官特性和促進(jìn)工業(yè)發(fā)展。然而，過度使用食品添加劑會(huì)導(dǎo)致食物中毒、器官損傷、細(xì)胞病變和癌癥，因此研究快速有效檢測(cè)食品添加劑的方法至關(guān)重要。CARNEIRO等[6]使用天然種子通過簡(jiǎn)單的一步水熱法合成CQDs，在最大激發(fā)波長(zhǎng)（360 nm）下評(píng)估與檢測(cè)檸檬酸、乳酸、抗壞血酸、苯甲酸鈉和山梨酸鉀的性能，在真實(shí)的腌制橄欖樣品中以95 %的置信度準(zhǔn)確識(shí)別出5種食品添加劑，檢測(cè)限為252 ng·mL-1，結(jié)果證明基于CQDs的熒光傳感器在食品添加劑檢測(cè)中具有一定的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

本文基于熒光CQDs探針的合成方法、檢測(cè)機(jī)制以及在食源性致病菌、重金屬離子、農(nóng)獸藥殘留、食品添加劑安全檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。構(gòu)建的熒光探針能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)，即使非專業(yè)人士也可以通過簡(jiǎn)單操作得到檢測(cè)數(shù)據(jù)，在食品安全快速檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，在食品分析的實(shí)際應(yīng)用中，仍有一些問題有待解決，樣品基質(zhì)的復(fù)雜性使得快速檢測(cè)的難度增加，排除其他干擾物檢測(cè)指定目標(biāo)物對(duì)構(gòu)建高特異性和選擇性的CQDs至關(guān)重要。除此之外，這些檢測(cè)技術(shù)大部分仍局限于實(shí)驗(yàn)室研究中，沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。因此未來的研究方向應(yīng)著重于CQDs綠色原料的選擇、特異性的提高，以及發(fā)展復(fù)雜基質(zhì)中的現(xiàn)場(chǎng)可視化檢測(cè)技術(shù)并應(yīng)用于市場(chǎng)等方面，為進(jìn)一步促進(jìn)量子點(diǎn)的開發(fā)、擴(kuò)大其在食品質(zhì)量安全快速檢測(cè)中的應(yīng)用范圍提供新的思路。