熒光碳量子點的制備及其在糧油食品安全檢測中的應用

王 超，李 彭，丁 儉，方 勇

（南京財經大學 食品科學與工程學院/江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心，江蘇 南京 210023）

中國是人口大國，對于糧油食品的需求量較大，在糧油食品市場不斷發展的同時，糧油食品安全檢測也越來越受到關注。糧油食品是日常生活中營養的主要來源，如果缺少糧油食品，則會對日常生活造成顯著影響，最終導致人體營養不良，甚至嚴重威脅人們的身體健康[1]。在現代市場經濟中，一些不法商販為了獲取更高的利潤而使用不規范的糧油食品生產加工方式，這些質量不合格的糧油食品進入市場之后，使得糧油食品安全難以得到保障[2]。目前來說，糧油食品安全檢測技術主要包括高效液相色譜法[3]、氣相色譜法[4]、免疫吸附法（酶聯免疫、納米金免疫）[5]等分析方法，這些方法雖然也能夠提供較高的準確度和靈敏度，但大多需要昂貴的儀器和繁瑣的前處理過程，部分檢測方法（如酶聯免疫法）還對外部的檢測環境有所要求。因此，為了確保糧油食品的安全，必須對糧油食品的生產加工進行有效的制約和監督，同時，科學、合理的糧油食品安全檢測新技術的開發必不可少[6]。

碳量子點（carbon quantum dots, CQDs），是一種尺寸小于10 nm的新型碳納米材料，呈球形或者類球形，以sp2的共軛碳為核心，表面基團豐富[7-9]。在2004年由Xu等[10]首次發現，2006年Sun等[11]將其正式命名為碳量子點，自此以后，碳量子點就廣受學者們的關注。相比較于傳統的半導體量子點，碳量子點的光學性能穩定，且還具有原料來源廣泛、毒性低、生物相容性好等優點[12]，已經被用于分析檢測[13]、生物成像[14]、光電催化[15]等多個領域，其中，在分析檢測領域中的應用最為廣泛。近些年，有不少報道將碳量子點這一熒光檢測技術運用到糧油食品安全的檢測中，所以本文通過對碳量子點的制備方法、制備原料、雜原子摻雜以及熒光猝滅機理進行歸納，并對碳量子點在糧油食品安全檢測中的應用進行綜述，以期為碳量子點在糧油食品安全中的進一步應用提供參考。

1 碳量子點的制備

目前，碳量子點的制備方法主要可以分成自上而下（top-down）和自下而上（down-top）兩大類。自上而下法為物理方法，是從大顆粒碳物質上通過侵蝕剝離制備碳量子點。主要包括電弧放電法、激光燒灼法、電化學法等。而自下而上法為化學方法，研究起步較晚，但是在之后得到了更加廣泛的運用，這得益于其原料來源廣泛、操作簡單、產率高等優點，主要是通過小分子或聚合物作為前驅體碳化得到碳量子點。主要包括熱分解法、水熱法、模板法、微波法等。

1.1 自上而下法

1.1.1 電弧放電法

電弧放電法是最早發現的制備碳量子點的經典方法之一。電弧放電是指兩個電極在一定電壓下由氣態帶電粒子，如電子或離子，維持導電的現象。如Xu等[10]以煙灰為原材料進行電弧放電，用硝酸進行氧化處理，增加其水溶性，酸化，并用氫氧化鈉進行中和，中和后得到懸浮液再用凝膠電泳分離后即可得到碳量子點。所制備的碳量子點在366 nm的激發光下，可呈現出綠色、黃色以及橙色三種類型的熒光。然而采用電弧放電法制備的碳量子點熒光較弱，熒光量子產率較低，限制了其在分析檢測領域的進一步使用。

1.1.2 激光燒灼法

激光燒灼是利用高功率氣體激光器產生高溫高壓以制備碳量子點的一種方法。Sun等[11]在采用Nd:YAG激光器在氬氣氣流中撞擊碳靶，并在硝酸中回流12 h，再進行表面鈍化之后即得碳量子點。激光燒灼法最大的優點在于它可以通過改變溶劑制備出熒光發射波長不同的碳量子點，然而，其缺點在于需要專用的激光設備，并且采用此方法制備的碳量子點仍然存在熒光量子產率低的問題。

1.1.3 電化學氧化法

電化學氧化是在電解槽中放入有機物的溶液或懸浮液，通過直流電，在陽極上奪取電子使有機物氧化的方法。Zhao等[16]通過對石墨進行電化學氧化來制備碳量子點，石墨柱電極（GE）經氧化之后，以0.1 mol/L NaH2PO4水溶液作為支撐電解質制備熒光碳量子點。該法操作方便，設備簡單，重復性好，是一種綠色、清潔的方法。

1.2 自下而上法

1.2.1 熱分解法

熱分解法是通過對有機小分子在水熱條件下進行熱解碳化，得到碳量子點的方法。Chernyak等[17]將己烷或乙腈在氮氣流中傳遞15 min后，置于石英管狀床反應器中，加熱至800 ℃左右反應10 min，得到石墨烯碳量子點（GNF），通過改變碳量子點的制備條件，可使碳量子點的熒光從綠色變成橙色。熱解法簡單、快速、碳量子點的熒光量子產率較高，此外，由于通常是在高壓反應釜中進行操作，過程可控，碳量子點的尺寸較為均一。

1.2.2 水熱法

水熱法是指一種在密封的壓力容器中，以水作為溶劑、粉體經溶解和再結晶的制備材料的方法。Liu等[18]以檸檬酸和乙二胺為共前驅體，通過簡單溫和的水熱反應成功地合成了氮摻雜碳量子點（N-CDs），并且可用于Cr（VI）離子的分析檢測，檢測限可達到0.26 μmol/L。該方法實現了Cr（VI）離子的高敏感性和高選擇性檢測，并且能夠運用到實際樣品中的Cr（VI）離子分析檢測中去。

1.2.3 微波法

微波法是將有機化合物置于微波條件下進行反應來制備碳量子點的一種方法。Bhagavanth等[19]通過微波輔助的方法制備了銀納米粒子/氮摻雜碳量子點（AgNPs / NCDs）納米復合材料，該材料可用于羅丹明B、甲基紅和4-硝基苯酚的分析檢測。微波法制備碳量子點的優勢在于方法簡單、快速，微波設備通常采用家用微波爐，設置好微波功率（微波火力）和微波時間即可，而且制備出的碳量子點的熒光強度和熒光量子產率較高。

1.3 碳量子點的制備原料

碳量子點的制備原料主要來源于碳納米管[20]、富勒烯[21]、石墨烯[22]等大體積的碳骨架材料以及檸檬酸[23]、葡萄糖[24]等有機化合物。然而，隨著社會發展和人類進步，科學發展觀和綠色化學概念的提出，大體積的碳骨架材料逐漸被淘汰。生物質材料作為一種天然原料，由于其可再生、低污染、來源廣泛等優點逐漸被學者們關注。Wang等[25]以黃瓜汁為原料，通過水熱法得到氮、硫、磷共摻雜碳量子點，發光性能優良，可用于細胞成像實驗。Arul等[26]通過將火龍果在180 ℃下反應12 h，得到的碳量子點呈現藍色熒光，并且展現出很強的催化活性。Shen等[27]以紅薯生物質為原料，在熱解18 h之后，得到的碳量子點可用于Fe3+的檢測。

1.4 雜原子摻雜

在碳量子點的制備過程中，碳量子點的熒光性能備受關注。然而未經處理的單純碳量子點的熒光量子產率往往很低（＜10%），不能滿足在實際應用中的需求，而雜原子摻雜是改善碳量子點的熒光性能的重要手段。

1.4.1 氮摻雜

由于氮原子最外層有5個電子，最容易與碳原子形成共價結合，因此氮摻雜是改善碳量子點熒光強度和熒光量子產率最常見和最有效的方法之一，在所報道過的碳量子點中，氮摻雜量子點也占據了絕大部分。Chang等[28]采用一步水熱法制備出了氮摻雜碳量子點：Eu,Gd ( N-CDs/HA:Eu, Gd )，并且在單波長下呈現雙發射，具有獨特的光學性能，使得其在離子檢測方面有巨大的應用前景。Issa等[29]在線性聚乙烯亞胺（PEI）的存在下，由羧甲基纖維素制備出氮摻雜碳量子點，呈藍綠色熒光，能夠在酸性溶液中識別Fe3+，檢出限可達0.14 μmol/L。

1.4.2 硫摻雜

硫元素摻雜對于碳量子點來說并不多見，因為硫與碳之間的電負性差異很小。Hu等[30]利用廢棄油在濃硫酸輔助下一步合成硫摻雜碳量子點，合成的硫摻雜碳量子點的尺寸均勻，呈現部分無序的類石墨結構，值得注意的是，合成的硫摻雜碳量子點具有明顯的pH敏感性，在pH值為3～9的范圍內光致發光強度呈線性增加。

1.4.3 磷摻雜

在碳量子點中引入磷原子的摻雜，有助于在碳量子點的表面形成更多的缺陷，產生更多的活性位點。Kalaiyarasan等[31]以檸檬酸三鈉和磷酸為前驅體，采用水熱法合成了磷摻雜碳量子點。通過控制前驅體的濃度、反應時間和溫度，詳細探討了磷摻雜對碳量子點的光學特性和形成的影響。在310/440 nm的激發/發射波長下，磷摻雜碳量子點的熒光量子產率可達到16.1%。此外，Fe3+的加入可以結合到碳量子點的表面從而導致碳量子點的熒光強度發生猝滅，并基于此開發了一種新的用于血液、尿液、各種工業廢水和污水樣品中Fe3+檢測的商業檢測方法。

1.4.4 硼摻雜

硼元素的引入也可能會增加碳量子點表面的活性位點，進而改變碳量子點的光學性能。Sadhanala等[32]以鄰苯二酚為碳源，萘硼酸為硼源，采用溶劑熱法制備出了高熒光硼摻雜碳量子點，該碳量子點發紫色光，且對Mg2+和Ca2+具有高敏感性和高選擇性的分析檢測功能。

2 碳量子點的熒光猝滅機理

目前來說，絕大多數的碳量子點對于目標物質的分析檢測都是基于熒光信號的猝滅效應（也有一小部分通過抑制猝滅來增強熒光信號值），即通過目標物質與碳量子點之間的相互作用使得熒光猝滅。碳量子點的熒光猝滅機理主要包括光誘導電子轉移（PET）、熒光能量共振（FRET）、內濾效應（IFE）、靜態猝滅（SQE）以及動態猝滅（DQE）等。

2.1 光誘導電子轉移（PET）

所謂PET，也就是目標物質與碳量子點之間發生了電子轉移的現象，雙方互為電子供體和電子受體的關系，并形成相應的配合物。這一過程主要涉及到碳量子點和目標物質內部所發生的氧化還原反應的過程。Liu等[33]制備了具有良好水分散性和光穩定性的新型碳量子點，以此來揭示溶酶體pH值與生物硫醇之間的關系。這種碳量子點在450 nm的激發波長下表現出106 nm的斯托克斯位移。基于給體激發的PET過程，研究了碳量子點的熒光猝滅行為。pKa值為5.30，與正常和異常溶酶體pH值范圍吻合較好。加入半胱氨酸（Cys）或同型半胱氨酸（Hcy）后，PET過程被有效抑制，熒光完全恢復，這一實驗成功證明該碳量子點的熒光猝滅機理屬于PET。

2.2 內濾效應（IFE）

IFE是指碳量子點的熒光激發或者熒光發射光譜與目標物質的紫外吸收光譜出現了重疊的現象。隨著熒光猝滅劑濃度的增大，碳量子點的熒光強度也隨之不斷減小。IFE的發生主要包含三個方面的條件，一是碳量子點的熒光激發或者熒光發射光譜與目標物質的紫外吸收光譜出現了重疊現象，二是猝滅前后沒有新物質的生成，三是熒光壽命不發生變化。Xue等[34]制備出了一種碳量子點，并將其嵌入到鋅錐微球中，形成了基于IFE的低成本的Cr(VI)高選擇性傳感器，可在150 s內，完成對1～1 000 μmol/L的小劑量的重鉻酸鹽離子的檢測，碳量子點的紫外光譜和重鉻酸鹽的紫外可見吸收光譜發生了重疊現象，對于熒光壽命的研究，也再次說明了重鉻酸鹽對于碳量子點的猝滅機理屬于IFE。

2.3 熒光能量共振（FRET）

FRET是指在供體分子處于激發態時由一對偶極子介導的能量從供體向受體轉移的過程。在整個過程中，均不發生光子的發射和重吸收。碳量子點與目標物質之間能否發生FRET主要取決于兩個方面：一是碳量子點的發射光譜與目標物質的吸收光譜有重疊現象；二是碳量子點與目標物質的空間距離足夠小。此外，在FRET過程中，熒光壽命往往隨著目標物質濃度的增加而降低。Ye等[35]基于碳量子點修飾的納米多孔氧化鋁膜，以碳量子點為熒光供體，研制了FRET生物傳感器，用于檢測8-羥基20 -脫氧鳥苷（8-OHdG），一種典型的DNA氧化損傷產物。將金納米顆粒包裹在咪唑沸石骨架-8中形成Au@ZIF-8納米顆粒作為信號猝滅劑。碳量子點和Au@ZIF-8納米顆粒被8-OHdG抗體生物功能化。在膜基底上捕獲8-OHdG可以使Au@ZIF-8納米顆粒與CDs更接近。在350 nm激發下，Au@ZIF-8納米粒子淬滅CDs熒光，并產生FRET效應，檢出限為0.31 nmol/L。通過干擾實驗表明，FRET生物傳感器對8-OHdG檢測具有較好的特異性。該生物傳感器檢測尿液中8-OHdG具有靈敏度高、選擇性強、樣品預處理簡單等優點，并可用于檢測尿液或其他生物液體中DNA損傷的生物標記物。

2.4 靜態猝滅（SQE）和動態猝滅（DQE）

靜態猝滅和動態猝滅也可以引起熒光猝滅現象。具體來說，在動態猝滅過程中，熒光分子的激發態與猝滅劑發生能量轉移或者物理碰撞并返回基態，使得熒光猝滅的過程。Hou等[36]以苦豆葉為前驅體，采用水熱法制備出了一種可用于草甘膦分析檢測的熒光碳量子點，由于草甘膦可以實現對碳量子點-Fe3+體系的熒光猝滅，為了研究其猝滅機理，研究者向體系中加入了可以螯合Fe3+的磷酸鹽，結果顯示磷酸鹽的加入并未使系統的熒光發生變化，據此推斷該猝滅過程為動態猝滅。

而在靜態猝滅過程中，熒光分子的基態與猝滅劑之間形成了非熒光的基態配合物，當配合物吸收光之后，會返回基態而不發射光子。Kong等[37]采用微波法制備出了以賴氨酸為前驅體的熒光發射碳量子點，與Al3+結合之后可以完成7種抗生素的特異性檢測，并且對抗生素引起碳量子點猝滅的機理進行了研究，在加入抗生素之后，碳量子點的熒光壽命不發生變化且紫外可見吸收峰消失，說明生成了基態復合物，這些現象能夠證明碳量子點的猝滅機理為靜態猝滅。

3 碳量子點在糧油食品安全檢測中的應用

3.1 重金屬離子檢測

隨著社會的不斷發展，在居民生活水平提高的同時，工業廢水的排放以及工業垃圾的傾倒也使得環境中的重金屬離子嚴重超標。而重金屬離子大多難以進行有效地自我降解，最終往往通過食物鏈富集而進入生物體內并嚴重威脅生物體的健康。目前，存在于糧油食品中的重金屬離子污染主要有砷、鎘、汞、鉛、鉻5種元素。而糧油食品中的重金屬離子的檢測方法主要包括原子吸收光譜法[38]、電感耦合等離子體質譜法[39]、原子熒光光譜法[40]、分光光度法[41]等。這些方法雖然準確度和靈敏度較高，但存在儀器昂貴、成本較高、樣品前處理復雜等缺點，因此，基于熒光碳量子點這一新型納米材料的檢測方法應運而生。

Xu等[42]選取毛尖茶和龍井茶作為碳源通過水熱法成功合成了一種碳量子點，與龍井茶碳量子點相比，毛尖茶碳量子點的光學性能優良，表現出了更好的抗氧化能力，且對于Hg2+有特殊的響應能力，并成功地運用到了大米中的Hg2+的檢測，檢測限為6.32×10-9nmol/L。響應范圍為2.00×10-7～ 6.00×10-5mol/L，在食品安全、藥材質量、環境監測等諸多研究領域具有很大的潛力。而Xiao等[43]不僅通過熒光碳量子點的制備完成了對小麥幼苗中Cd2+的檢測，并且可以在一定程度上降低小麥根和葉中的Cd2+污染。在Cd2+處理下，相對對照組來說，添加了50、75 mg/L碳量子點溶液的實驗組小麥根和葉中Cd2+含量有所降低。該實驗證明，碳量子點可以吸附Cd2+，并且提高了小麥葉片中可溶性糖、可溶性蛋白等物質的活性。這一發現證實了碳量子點可以緩解Cd2+對小麥等糧油食品的非生物脅迫，為其在環境保護和農業生產中的應用奠定了基礎，也為農業重金屬污染的降低提供了一個新的思路。

Bardhan等[44]用自然收集的微斜長石，通過“自上而下”的制備方法成功合成了一種熒光納米探針，通過對天然納米結構（MCD）中摻雜氮碳點，進一步對其進行了改性。與其他傳感器相比，MCD具有良好的熒光強度、顯著的pH響應和光穩定性。在添加不同離子時，MCD的熒光只在添加Cr6+發生改變，并且當加入Cr6+的情況下，MCD會出現一個巨大的“紅移”現象，其最大發射熒光出現在綠色光區域，這一現象在紫外線燈下十分明顯。Cr6+的熒光猝滅機制歸因于傳感器中部分富電子基團的親和力，導致發生光誘導電子轉移的動態猝滅。因此，MCD作為一種天然、生物相容性好、性價比高、易于使用的傳感器，由于其顯著的選擇性和靈敏度，將成為一種潛在的熒光碳納米材料，對于Cr6+的分析檢測有著巨大的應用前景。天然的材料稍加修飾即可作為熒光碳量子點傳感器用到糧油食品安全的分析檢測中去，這一重大發現也啟示人們，要多關注天然生物質材料，并判斷將其用作熒光碳量子點的原料的可能性。

3.2 農藥殘留檢測

農藥殘留是指在農業生產過程中施用農藥后，少部分農藥殘存在糧油食品上的現象。農藥固然在保障農作物產量上發揮了重要作用，但是如果過量使用農藥就會導致嚴重的農藥殘留現象。當過量農藥進入糧油中后，就會造成糧油污染，并危害人的健康。因此，控制糧油產品中農藥殘留量的關鍵之一就是對糧油樣品進行及時準確的農藥殘留檢測，以杜絕農藥殘留超標的糧油產品出現在市場上。目前我國糧油產品農藥殘留主要集中在三個種類：有機磷農藥、有機氯農藥以及氨基甲酸酯農藥。其中，有機磷農藥的使用范圍最廣，且其化學性質很不穩定，在大自然中容易分解，但由于其使用量大也被列為糧油污染的主要農藥；有機氯農藥的性質較為穩定，在大自然中很難被分解，且在人體內代謝速度很慢，累積時間長；而氨基甲酸酯農藥，一般來說不會造成農藥殘留現象，但若是使用量過大也會造成一定程度的農藥殘留。由于農藥殘留對生物危害很大，各國對農藥的施用都進行嚴格的管理，并對食品中農藥殘留限量作了規定。已報道的農殘檢測技術主要包括色譜法、酶聯免疫吸附法、電化學法等，這些方法的準確性較高，但是前處理過程復雜，儀器昂貴，且需要特定的操作技能，而基于熒光碳量子點的熒光探針檢測技術操作簡單，省時省力，檢測結果準確可信，從而備受學者們的關注。

Tafreshi等[45]以菜花前驅體為原料，采用水熱法，成功合成了一種利用植物碳量子點對二嗪農、氨基脲和草甘膦三種農藥殘留進行熒光檢測的新方法。這種碳量子點最大的優點在于操作簡單、無毒無害，原料易得且工業制備成本低。二嗪農、氨基脲和草甘膦的檢出限分別為0.25～2.00 ng/mL。此外，通過對實際樣品中的農藥殘留進行檢測之后發現，所開發的納米傳感器對農藥殘留的檢測具有可重復性和準確性，在食品安全和環境監測方面具有良好的應用前景。

3.3 真菌毒素

對于糧油食品安全來說，真菌毒素的檢測占據重要地位，如何提升糧油食品中真菌毒素的檢測水平是科學家們密切關注的問題。糧油食品中的真菌毒素是通過真菌代謝而來，主要包括黃曲霉毒素、赭曲霉毒素A、玉米赤霉烯酮等，這些真菌毒素對于糧油食品的質量影響很大，人體攝入后往往會造成體內基因突變，甚至遺傳給下一代，致癌率、致畸率較高。目前，真菌毒素的檢測方法主要有薄層色譜法、免疫分析法、高效液相色譜法等，但這些方法操作復雜，且均存在一定的局限性，而近些年，基于熒光碳量子點的真菌毒素檢測方法選擇性好、靈敏度高，取得了令人滿意的結果。

Bi等[46]利用羥基氧化鈷（CoOOH）納米片，研制了一種用于分析玉米和大麥面粉中赭曲霉毒素A（OTA）的熒光適體，并通過研究g-CNQDs的熒光壽命證明了其猝滅機理。通過范德華力將核酸適體修飾的g-CNQD（g-CNQDs-APT）吸附在CoOOH納米片表面。因此，引發了從g-CNQDs到CoOOH納米片的F?rster共振能量轉移，導致猝滅熒光。該傳感器的檢出限為0.5 nmol/L，在1～140 nmol/L范圍內呈良好的線性關系。該適配體檢測平臺適用于大麥和玉米粉中OTA的測定，回收率為94.5%～101.0%，相對標準偏差小于2.24%，并且傳感器具有檢測速度快、成本低、選擇性好、實用性強等優點，為糧油食品中真菌毒素(如AFB1、FB1等)的檢測提供了一個新的平臺。

Zhang等[47]在水相條件下，合成了CdTe/CdS/ZnS量子點，與抗玉米赤霉烯酮（ZEN）單克隆抗體進行偶聯之后，利用該探針建立了玉米中ZEN的熒光免疫分析法（FLISA）和快速免疫層析條帶（ICTS）。檢測范圍為0.038～0.977 ng/mL，IC50為0.162 ng/mL，檢出限為0.012 ng/mL。該方法在溶液和玉米提取液中的檢測限分別為1.0、1.5 ng/mL。FLISA可作為一種可靠、靈敏、便攜的方法，與定量ELISA試劑盒相比，FLISA方法靈敏度更高，檢測速度更快。一方面，FLISA的檢出限比商業ELISA試劑盒低6倍，另一方面，在熒光免疫分析中省略了酶反應步驟，使得FLISA易于執行和節省時間。此外，整個檢測過程僅耗時約8 min。因此， FLISA可用于玉米樣品中ZEN污染的準確檢測，而ICTS可用于快速篩查。如將熒光碳量子點技術運用到糧油領域，可以將其做成試劑盒或者層析條帶的形式，以進一步拓寬熒光碳量子點在糧油食品檢測中的應用。

4 結論與展望

糧油食品安全檢測水平的提高是當前糧油領域面臨的一項挑戰，而熒光碳量子點作為一種新型的熒光納米粒子，有望代替傳統的儀器分析等方法被應用于糧油食品安全檢測領域的研究。它的主要優勢在于，熒光碳量子點檢測方法的原料易得、操作簡單，且其檢測的靈敏度和選擇性等絲毫不遜色于傳統的儀器檢測方法。此外，熒光碳量子點的商業價值巨大，如果能夠將熒光碳量子點與試劑盒、層析條帶等相結合的話，會進一步拓寬其在糧油食品實際樣品和現場檢測中的應用。然而，僅僅通過雜原子摻雜來提高熒光碳量子點的熒光強度和檢測效果，終不能滿足需要。迄今為止，如何更加有效地提高熒光碳量子點的熒光強度，如何尋找更綠色環保的原料來制備熒光碳量子點，以及熒光碳量子點的形成機制、如何進行調控等難題還沒有確切的答案。未來，深入研究了解這些問題對熒光碳量子點在糧油食品安全檢測領域具有更加重要的意義。