基于碳量子點的熒光分析法在食品安全檢測中的應用

王方玲

碳量子點（Carbon quantum dots，CQDs）是一種近年來出現的新型碳納米材料，具有優秀的光學性質，其以簡便的制備方法、生物毒性低的優勢得到了廣泛應用，受到了科研人員的重視?；贑QDs的熒光分析法作為一種新興的光譜分析方法，具有操作簡潔、靈敏度高、線性范圍寬、精密度高以及可以同時進行多個通道或對痕量的物質進行檢驗等多種優點，逐漸被應用到了食品檢測領域。本文分析了基于碳量子點的熒光分析法在食品檢測領域內不同檢測對象的應用現狀，并對其發展前景進行了展望，旨在促進食品安全檢測技術的進一步發展，為食品安全提供進一步的保障。

一、碳量子點的熒光分析法概述

1.熒光分析法的基本原理。熒光分析法是指一類以光為主要激發來源，介于發射光譜法和吸收譜線法之間的光譜分析法，其能夠對化合物中的各種組分做出定性或定量分析。按照光譜分類的不同，熒光分析法可分為原子熒光分析法和原子基于碳量子點的熒光分析法。兩類分析法的基本原理相同，當物質在吸收了一定能量的光分之后，外部電子轉移至高能級的軌道上，使分子之間從基態變成了激發態。而由于處在激發態的分子之間能量是不穩定的，所以其外部的電子便能夠同時經由輻射躍遷和非輻射躍遷這兩條路徑，自發地返回低能級軌道。在此過程中，會有一些電能以光的形式出現，而這種形式的光線即為熒光。由于各種化學物質所產生的熒光波長不同，因此可通過檢測物品所產生的熒光的不同對其進行定性分析;在規定的物質含量范圍內，由于某些化學物質所產生熒光的力度和水溶液中這種化學物質的含量水平之間具有正比關聯，所以也可通過檢測物品的熒光力度對其在水溶液中的濃度變化進行解釋。

2.熒光分析法使用的儀器。按照內部結構的差異，熒光分析方法所用的儀器設備一般包括分子熒光亮度計和熒光分光光度計兩類，兩種儀器設備的重要組成部分均為激發光源、分光系統、試樣池、測試體系等。為了防止激發光源對測量信號產生影響，兩類儀表的檢測器和燈光的排布方向都成一定夾角。兩類儀器設備在分光體系的構造上有所區別：在熒光亮度計中，常采用濾光鏡以減少雜散光和輻射光;而在熒光分光光度計中，光柵衍射等色散式的單色器件常被作為對進入光和發出光波段的選擇。當測量對象是分子時，需要選擇分子熒光亮度計作為分析方法的儀器設備。

二、基于CQDs的熒光分析法測量重金屬離子

食品中的重金屬離子容易導致人體慢性中毒，如果沒有及時檢測出食品中對人體有害的重金屬離子，一旦這些有害的重金屬離子被人體所攝入，就會在人體中慢慢累積，并損害人的機體，等到有癥狀發作的時候往往已經處于中毒的晚期。所以，對重金屬離子的嚴格檢測是提高食品安全的重要內容。目前常用的重金屬離子測定方式一般有下列幾類：色譜法、質譜法、比色法等。然而以上檢測方法的缺點是操作不便、價格高昂、檢測速度慢，相對來說，采用CQDs的金屬熒光探測器是更加簡便、快速的檢測方法。

1. Hg2+的檢測。Hg2+中的化學物容易對人體的神經系統結構或者功能造成嚴重的損害。這種化學物質能夠和蛋白質的疏基進行結合并產生出能夠降低酶活性的成分，進而影響細胞正常的新陳代謝。例如著名的日本“水俁病”事件，就是因為從工廠排出的廢水中含有大量的汞元素，進入生態環境中后富集在魚體中，人類食用之后產生了中樞神經系統的病變。研究發現，比率式熒光檢測系統具有良好的抗環境干擾性能，能夠有效提高熒光分析的靈敏度和熒光檢測系統的穩定性。

2.Cu2+的檢測。Cu2+對于人體的健康成長起著關鍵作用，人體一旦缺乏這種微量元素，人體細胞的新陳代謝功能、神經元功能、血紅蛋白以及線粒體呼吸功能就會受到嚴重影響。但是，這種金屬離子也不能攝入過多，一旦攝入過多，就會對人體的腎臟和肝臟造成損害，嚴重的還會引發阿茲海默癥和帕金森病。研究證明，CQDs可以對Cu2+快速產生響應，比較適合現場檢測和快速檢測。

3. Fe3+的檢測。Fe3+對于人體的健康成長也起到非常重要的作用，如果人體缺少這種微量元素，輕則發生貧血，重則引發智力下降、阿茲海默癥、帕金森病、血色素沉著癥、糖尿病和癌癥等。它主要存在于人體的脾部、肺部以及肝臟的位置，但其實人身上的很多組織中都有它的身影。在檢測Fe3+的方法中，水熱法是一種較為合適的檢測方法，可以利用檸檬酸合成CQDs，Fe3+通過與CQDs表面羥基發生非輻射電子轉移實現配位，從而使得CQDs熒光猝滅。該實驗所制備的N-CQDs溶解度十分優異，且具有穩定性強、熒光強度高、生物毒性低的優點。

三、基于CQDs的熒光分析法檢測獸藥殘留

在畜牧業，養殖戶為了防止動物生病會大量使用抗生素，這些抗生素會殘留在動物體內，造成畜產品中有獸藥殘留。人們若長期食用含有獸藥殘留的動物食品，會嚴重威脅人們的身體健康。由于CQDs的表面分布著大量親水基團（羧 基、羥基），這使CQDs與抗生素的結合成為可能，研究發現，基于CQDs的熒光探針可以快速檢測抗生素的含量。

四、基于CQDs的熒光分析法檢測農藥殘留

農藥殘留是指農藥在飲用水和食品中的留存。農藥有著猛烈的毒性，能夠殺死植物中的病蟲害，也能夠對人體造成危害。農藥在食品中的殘留即使濃度很低，也能對人體機能造成嚴重的損害，因此必須加強食品農藥殘留檢測工作。研究學者Wu X L嘗試以商業葉綠素為對象，用水熱合成法合成出一種能夠調節的發射熒光的CQDs，并且創造出一種用于檢測有機磷農藥（OPs）的CQDs-AuNP系統，這種檢測系統能夠快速準確地識別大米、胡蘿卜、橘子中的農藥殘留。目前，基于CQDs的熒光探針已經被廣泛應用于農藥殘留的快速檢測中，但由于這種方法在實際應用中容易受到檢測樣品中重金屬離子的干擾，因此受到了一定的限制。

五、基于CQDs的熒光分析法檢測色素

合成色素是現代食品加工業的主要使用物質，例如檸檬黃、胭脂紅等，將其添加到食品中可以增加食品的色彩，但人若長期食用色素含量超標的食品會影響人體的健康，因此色素的使用劑量必須在規定范圍之內。而對于一些已經被禁用的色素，如蘇丹Ⅰ、孔雀石綠等，需要用靈敏度更高、檢測速度更快的熒光光譜技術進行檢測。E6127119-5FD9-4AB1-AD68-751B9C896505

1.檢測可食用合成色素。胭脂紅、檸檬黃、莧菜紅是日常生活中比較常見的能夠添加到食品中的食用色素，但是有些商家為了使食品顏色更好看，會過量添加食用色素，人體若經常食用含有過量色素的食品會對身體不利，比如食用含有過量檸檬黃的食品有可能會發生腹瀉和過敏，更嚴重的會損傷肝臟和腎臟;而食用含有過量胭脂紅的食品則有可能引發腫瘤。在檢測食品中色素的各種檢測技術中，基于CQDs的熒光分析法有著廣泛的應用。比如，從檸檬皮中提取碳元素制成CQDs，可以用來檢測飲料中的胭脂紅。經過抗干擾實驗可知，檸檬酸、蔗糖、VC等是一種潛在的干擾物質，會影響到胭脂紅的熒光猝滅反應。因此，這種CQDs方法對胭脂色的測定范圍是0.20mg/L-30.00mg/L。

2.檢測非法添加色素。非法添加色素之所以被禁止使用，是因為其本身有著嚴重的有害性，例如蘇丹1具有高度致癌的特性。但是在經濟利益的驅使下，非法添加色素的行為仍然存在。采用水熱合成法以廢棄香煙濾嘴作為碳源合成具有較好穩定性的CQDs，基于FRET原理可以檢測辣椒粉、辣椒醬和番茄醬中的蘇丹Ⅰ。實驗結果表明，該熒光探針的檢測線性范圍為2.40μmol/L-104.0μmol/L（R2=0.991），檢測限為0.95μmol/L。并且在Cu2+、山梨酸鉀、VC等干擾下，該方法依然對蘇丹Ⅰ具有較好的選擇性。

六、基于CQDs的熒光分析法檢測三聚氰胺

三聚氰胺是一種有機化合物，常常被應用于工業領域，由于其能夠提高乳制品的蛋白含量，因而被不法商家添加到奶粉中。雖然三聚氰胺的毒性很低，但是如果長期食用，容易引發腎結石，嚴重影響人體的身體健康。通過研究可知，能夠借助溶劑的熱反應得到一種具有強光致發光特性的硅摻雜碳量子點（Si-CQDs），過氧化氫（H2O2）與Si-CQDs之間發生ICT從而引起熒光猝滅現象，基于三聚氰胺與過氧化氫（H2O2）可以反映出一種比較穩定的化合物。所以，可以將三聚氰胺加入到Si-CQDs-H2O2體系中，進而去除硅摻雜碳量子點（Si-CQDs）表面的熒光。因此，這種熒光傳感系統可以有效檢測食品中三聚氰胺的含量。

綜上所述，CQDs在重金屬離子、獸藥殘留、農藥殘留、食品添加劑（色素）、三聚氰胺的檢測方面都有所應用，并且能夠進行現場快速檢測，即使對于非專業研究人員來說，也可以使用這種辦法獲得檢測數據。從上述檢測實驗可以發現，大多數研究人員采用了水熱合成法，也有部分研究人員使用微波合成法和超聲法，但是這些方法目前僅僅適用于實驗室，還沒有達到在工業上推廣應用的條件。筆者認為，未來研究的重點應該放在選擇合適的天然材料、進一步改進合成方法以及提高合成CQDs的產量上面。此外，走出實驗室、提高市場化也是該技術需要突破的最大難關。E6127119-5FD9-4AB1-AD68-751B9C896505