氮摻雜碳量子點熒光探針快速檢測山梨酸鉀

孫雪花, 強 瑜, 郝都婷, 趙英婕, 趙蓉蓉

(延安大學化學與化工學院 延安市綠色合成材料與化學安全檢測重點實驗室, 延安 716000)

山梨酸鉀(Potassium sorbate, PSS)是一種在空氣中不穩定, 易于氧化著色[1], 在人體可以快速被代謝系統吸收且分解為水和二氧化碳, 不易在人體內殘留, 品性優良的食品防腐劑, 在飲料和食品生產中備受歡迎[2]. 但由于PSS是人工合成的防腐劑, 過量食用會對人體產生嚴重副作用[3], 所以嚴格控制其使用限量對保證食品安全有著重要的作用. 我國在國家食品安全標準GB2760-2014[4]中規定PSS在飲料中最大使用量為0.5 g/kg, 在白醋中最大使用量1.0 g/kg. 近年來, 測定PSS含量的主要方法有拉曼光譜法[5]、高效毛細管電泳法[6]、吸收光譜法[7]、高光譜成像[8]和太赫茲光譜[9]等, 但這些方法預處理繁瑣、分析時間長、操作復雜、分析儀器貴、成本高. 而碳量子點為熒光探針測定食品添加劑中PSS的研究較少, 因此, 對其研究具有一定的應用價值.

碳量子點(CQDs) 作為一種新型熒光納米材料, 與傳統半導體量子點相比, 其具有優良的光學性能, 低毒性、良好的生物相容性、耐光漂白等特點[10], 已被應用于生物分子探針、活體成像、光電器件等領域[11，12]. 本文以淀粉作為碳源, 以L-賴氨酸作為鈍化劑采用水熱法合成NCQDs, 此法操作簡便、原料易得, 并且大大提高了CQDs的熒光性能. 以NCQDs為熒光探針測定食品中PSS含量的研究具有重要意義, 同時也奠定了CQDs熒光探針的應用基礎.

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

UV-2550紫外-可見分光光度計(日本島津公司)；LS-55熒光分光光度計(美國PE公司)；Tecnai G2 F20 S-Twin 型高分辨透射電子顯微鏡(美國 FEI公司). ESCALAB 250XI型X射線光電子能譜儀(美國賽默飛世爾科技公司)；XRD-7000 X粉末衍射儀(日本島津公司)；IR Prestige-21傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR, 日本島津公司)；高速離心機(湘儀H-1850)；恒溫鼓風干燥箱(PRD-C3000).

PSS標準溶液(1.4×10-2mol/L)：準確稱取PSS標準品(上海甄準生物科技有限公司)0.105 g于燒杯中, 加超純水溶解, 定容至50 mL容量瓶中, 用時逐級稀釋. pH = 6的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液. 所用試劑皆為分析純, 所用水皆為超純水.

2.2 CQDs的制備

準確稱取淀粉0.5 g和L-賴氨酸1.0 g 于盛有25 mL超純水的燒杯中, 超聲使其溶解后轉移至50 mL聚四氟乙烯水熱反應釜中, 于200 ℃反應12 h, 取出冷卻至室溫, 溶液呈現深棕色. 通過10 000 r/min的轉速離心20 min, 除去大顆粒雜質, 再經0.22 μm的微孔濾膜過濾, 即得NCQD溶液, 低溫保存備用.

2.3 實驗方法

將稀釋1000倍的NCQD溶液移取2 mL于10 mL的比色管中, 加入0.5 mL pH = 6的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液和適量的PSS標準溶液, 用超純水稀釋至刻度, 搖勻, 室溫放置10 min后, 在λex=240 nm激發, 測定λem=410 nm處體系熒光強度F以及對照空白組的熒光強度F0, 體系熒光強度猝滅值ΔF=F0-F與PSS濃度之間存在良好線性關系.

2.4 樣品處理

我們將100 mL在售果味蘇打飲料做超聲處理30 s[13], 用微孔濾膜過濾, 濾液定容至100 mL容量瓶中, 備用.

取25 mL市售糯米白醋[14]于50 mL離心管中, 加入新配制0.01 mol/L亞鐵氰化鉀溶液、乙酸鋅溶液各5 mL沉淀蛋白質, 搖勻, 以12 000 r/min的速度離心10 min, 用微孔濾膜過濾, 并用0.2 mol/L NaOH溶液調節pH, 定容于50 mL容量瓶中備用.

3 結果與討論

3.1 NCQDs的表征

NCQDs的紫外吸收圖譜顯示(圖2b), NCQDs在紫外區220 nm 和275 nm處有吸收峰, 此峰主要是NCQDs 的sp2區域的 π-π*躍遷, 這說明CQDs形成了碳骨架, 存在共軛結構.

3.2 熒光檢測機理分析

如圖2a所示, 深棕色的NCQDs水溶液, 在狹縫4.0, 240 nm激發下, 410 nm處發射強熒光. 食品添加劑PSS在240 nm激發光下本身無熒光產生, 但將其加入NCQDs水溶液后, 對NCQDs的熒光強度產生了明顯的猝滅作用. 從紫外吸收圖2b分析說明NCQDs與PSS之間產生了動態猝滅作用. 由于食品添加劑PPS 在255 nm處有強吸收, 當其加入到NCQDs溶液后, 發現NCQDs 220 nm處的吸光度值大大增加, 而275 nm處受PPS作用影響, 吸收峰變寬強度明顯增大, 兩個吸收峰處基本是NCQDs和PPS的吸光強度之和, 吸收光譜基本沒有改變, 推斷吸光度值增加是因為影響了分子的激發態, 產生了動態猝滅作用. 以此建立NCQDs熒光探針檢測食品中PSS的含量.

3.3 實驗條件的選擇

3.3.1 pH的選擇 不同pH對于NCQDs體系熒光強度的影響不同. 如圖3a所示, 我們發現體系熒光猝滅程度隨著pH的增大呈現先增大后減小的趨勢, 主要在5～7之間猝滅強度較大且穩定. 實驗探討了pH=6不同種類的緩沖溶液磷酸氫二鈉-磷酸二氫鈉、檸檬酸-磷酸氫二鈉、醋酸-醋酸鈉、磷酸二氫鉀-氫氧化鈉等對體系熒光強度的影響(圖3b), 結果發現pH=6的 Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液0.5 mL時體系的熒光猝滅強度ΔF最大.

3.3.2 NCQDs的用量 NCQDs溶液的濃度較大時容易產生自猝滅熒光強度較低, 濃度太小時熒光物質較小發光較弱. 我們考察了NCQDs溶液稀釋10倍、100倍、500倍、1000倍和1500倍的熒光強度, 發現熒光強度隨著NCQDs濃度的降低先增強后減小(見圖4a), 最終實驗確定濃度為稀釋1000倍的 2 mL NCQDs溶液為最佳(見圖4b).

3.3.3 反應時間及穩定性 按照實驗方法, 將NCQDs溶液體系在最佳條件下測定, 我們發現NCQDs溶液與PSS反應速度很快, 體系的熒光猝滅值瞬間達到最大, 至少穩定3 h, 結果見圖5a. 當體系在20 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃和100 ℃不同溫度下反應10 min后進行測定, 結果如圖5b所示, 隨著反應溫度的升高體系熒光猝滅值ΔF逐漸減小. 因此實驗選擇在室溫下反應10 min后測定.

3.3.5 標準曲線 在最佳實驗條件下, 測得不同濃度的PSS對體系產生的熒光猝滅光譜如圖6a.

我們發現PSS的濃度在3.0×10-5～1.0×10-4mol/L和1.0×10-7～3.0×10-5mol/L范圍內與體系熒光猝滅強度ΔF呈現良好的線性關系, 如圖6b其線性回歸方程分別為ΔF1= 3.0×106c+255.76和ΔF2=1.0×107c+73.26, 相關系數為0.9991和0.9989. 根據3S0/S計算方法的檢出限為9.5×10-8mol/L, 說明此方法的靈敏度較高, 可以用于對PSS含量的檢測.

3.4 樣品測定

取適量處理過的果味蘇打飲料和糯米白醋樣品按實驗方法進行測定, 并進行樣品加標回收實驗, 回收率分別為98.25%～102.7%和98.33%～101.8%, 結果如表1所示. 測定的樣品中PSS的含量符合國家食品安全標準, 說明本實驗方法可以用于PSS含量的檢測.

表1 樣品的測定及其回收率(n=5)

4 結 論

一步水熱法合成了氮摻雜的淀粉碳量子點, 水溶性好, 尺寸小, 熒光性能優越. 以此NCQDs為熒光探針可以快速檢測食品添加劑PSS, 檢測范圍較寬, 靈敏度較高. 同時，我們探討了PSS對NCQDs的熒光猝滅作用機理為動態猝滅. 本研究不僅拓展了CQDs的應用范圍, 還為食品中PSS含量的測定提供了新的檢測方法, 為以后的研究奠定了一定的基礎.