熒光碳點在食品檢測中的應用

錢敏捷 胡欽

摘 要：碳點是近幾年興起的一種熒光碳納米材料。碳點所呈現(xiàn)出來的優(yōu)勢包括毒性低、成本低、操作簡單、靈敏度高和生物相容性好等方面，因此在改進生物傳感器、醫(yī)學成像設備、食品藥品分析檢測方法上具有很大的的應用前景。本文概述了碳點的熒光性質，常見的合成方法以及在食品安全檢測方面的主要應用，并對碳點的發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：碳點;熒光;食品檢測;應用

碳點（CDs）在2004年被XU等[1]首次發(fā)現(xiàn)，他們在采用電泳純化法分離分析單壁碳納米管懸浮液的過程中偶然發(fā)現(xiàn)了帶有熒光性質的碳納米顆粒;在2006年，SUN等[2]用激光刻蝕的方法獲得了熒光碳納米顆粒，并將這類帶有熒光性質的碳納米顆粒命名為碳點。

民以食為天，隨著科技的不斷進步發(fā)展，食品的種類越來越多樣化，與此同時，新的食品安全問題[3]不斷涌現(xiàn)，碳點與表面增強拉曼光譜（SERS）[4]和高效液相色譜（HPLC）[5]等常用的食品檢測方法相較而言具有一定的優(yōu)勢，因此碳點在食品安全檢測中的應用受到了許多科研人員的關注。

1 碳點的熒光性質

1.1 發(fā)光機理

碳點的發(fā)光機理仍有待探索，目前沒有準確統(tǒng)一的說法來進行完整的闡述。碳點的制備方法很多，不同的方法所制成的碳點有不同的結構，其發(fā)光機理也可能因為結構不同而有所不同。根據(jù)現(xiàn)有的研究，目前大多數(shù)研究者都比較支持表面缺陷態(tài)熒光機理等。

1.2 抗光漂白性和光穩(wěn)定性

在合成碳點的過程中，其抗光漂白性會隨著反應的時間和溫度的變化而改變。WANG等合成碳點的過程中改變反應的時間和溫度等因素后發(fā)現(xiàn)，碳點的量子產率（QY）會隨著這些因素的增加而降低，但是抗光漂白性卻有所增強。XIONG等發(fā)現(xiàn)，碳點的碳化度越高，其光穩(wěn)定性越強，因為碳基質能夠減少光化學損傷。

1.3 激發(fā)依賴性

碳點的熒光特性有兩個重要的參數(shù)，分別是發(fā)射波長和量子產率。目前所研究的大部分碳點的發(fā)射波長具有較強的激發(fā)依賴性，其中，碳點的結構即缺陷態(tài)、官能團和尺寸等方面會影響碳點的激發(fā)光依賴性。

2 碳點的合成

合成碳點主要的合成策略有兩類，包括自上而下法和自下而上法。自上而下法有電弧放電法、激光刻蝕法、電化學方法和化學剝落法4種。自上而下法是通過一系列物理化學的操作獲得納米級材料的方法，而自下而上法是將小分子化合物通過化學合成的方式合成碳量子點。

自下而上法的操作條件更容易得到滿足，獲得的碳源也較為豐富。水（溶劑）熱法是自下而上法中的一種，以水或有機物作溶劑，小分子可以在溶劑里經過脫水、聚合、碳化和鈍化等過程合成碳點，除此以外，還有微波輔助法和模板法。微波輔助法中，分子受到電磁波的影響而振動并相互碰撞，使得碳量子點合成的時間有所減少;模板法能夠控制碳點的形貌和尺寸，通過尋找簡易的物質充當模板，并將所需要的材料填入模板，抽去模板即可得到一樣尺寸形貌的碳量子點。

2.1 碳點在食品檢測的應用

食品安全一直是人們關注的重點話題，為了檢測食品中可能存在的損害或威脅人體健康的有毒有害物質，科研人員仍在不斷探索更先進準確的食品檢測方法。碳點的熒光探針具有制備簡單、靈敏度高和速度快等優(yōu)點，因此熒光碳點探針在食品檢測這一領域具有應用前景。

2.2 重金屬離子檢測

一些工廠排放的廢氣、廢水不僅會污染環(huán)境，還容易影響附近農作物質量。廢氣、廢水中含有的金屬離子，例如鉛、汞、鎘等，長期在人體內積累會產生毒害作用。然而，人們通過研究發(fā)現(xiàn)重金屬離子能夠與碳點表面的羧基、巰基相結合進而猝滅碳點的熒光，因此可應用碳點法對食品中的重金屬進行檢測。LI等用檸檬酸、尿素和草酸為原材料制備出兩種顏色的碳點，分別為藍色和綠色，將兩種碳點等比例混合后，發(fā)現(xiàn)其具有更高的靈敏度，能夠更加有效地檢測出汞離子的含量。

2.3 食品添加劑檢測

食品添加劑具備延長食品保存時間、增強食品風味、改善食品品質等優(yōu)點，但食品添加劑的過量使用會對人體健康產生巨大危害，因此碳點對于食品添加劑檢測具有重要意義。據(jù)相關研究發(fā)現(xiàn)，采用檸檬酸鈉和聚乙烯亞胺為原材料制備出的熒光碳點，可應用于食品添加劑特丁基對苯二酚（TBHQ）的檢測。

2.4 抗生素檢測

抗生素主要用于治療細菌感染或微生物感染等疾病，但濫用后細菌會產生一定耐藥性，使藥物失去作用，且不同的抗生素對人體均有不同程度的傷害，長時期大量使用會使人體產生毒副作用。YU等以賴氨酸為原材料，通過微波輔助法制備碳點，在290 nm和365 nm處激發(fā)多西環(huán)素等7種抗生素，發(fā)現(xiàn)其熒光猝滅效果不同，因此可以根據(jù)猝滅效果的差異對抗生素進行定性分析。

3 結語

作為備受關注的一種熒光納米材料，碳點具有良好的熒光性質，且操作簡便、生物相容性好。深入研究發(fā)現(xiàn)，碳點在實際應用中還存在一些問題。①碳點表面利用率較低，雖然碳點含有豐富的表面官能團，但對其進行目的性的調節(jié)來提高熒光量子產率仍待進一步研究。②碳點沒有明確的發(fā)光機理，內部結構和官能團分布也不確定。③碳點的靈敏度和抗干擾性也有提升的空間。以上這些都是未來科研人員的鉆研方向。

參考文獻

[1]XU X，RAY R，GU Y，et al.Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments[J].Journal of the American Chemical Society，2004，126（40）：12736-12737.

[2]SUN Y P，ZHOU B，LIN Y，et al.Quantum-sized carbon dots for bright and colorful photoluminescence[J].Journal of the American Chemical Society，2006，128（24）：7756-7757.

[3]DIOGO T C，VERIDIANA V R，MARIANA B P.et al.The differences between observed and self-reported food safety practices：A study with food handlers using structural equation modeling[J]Food Research International，2019，125：108637.

[4]DENG D，LIN Q Y，LI H，et al.Rapid detection of malachite green residues in fish using a surface-enhanced Raman scattering-active glass fiber paper prepared by in situ reduction method[J].Talanta，2019，200：272-278.

[5]CHEN G Y，MIAO S.HPLC determination and MS confirmation of malachite green， gentian violet， and their leuco metabolite residues in channel catfish muscle[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry，2010，58（12）：7109-7114.