熒光碳點探針在食品添加劑檢測中的應用

龔詩蕓，陳梓萱，胡欽

摘 要：食物添加劑在食品行業中被用來改善食物的品質和色香味，但過量使用會對人體健康造成負面影響。因此，開發一種簡單、快速、選擇性好、準確性高的方法來檢測食品添加劑的含量對保障消費者健康具有重要意義。近年來，熒光碳量子點（Carbon Dots，CDs）探針以制備簡單、成本低、生物相容性好、靈敏度高等優勢在食品添加劑檢測領域占據了一席之地。本文闡述了CDs的制備方式、發光原理及其作為探針在食物添加劑等領域的重要作用，并對該研究領域的前景進行展望。

關鍵詞：碳點；熒光；食品；食品添加劑

Application of Fluorescent Carbon Probe in the Detection of Food Additives

GONG Shiyun， CHEN Zixuan， HU Qin*

（College of Food Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou 225001， China）

Abstract： Food additives are often used in the food industry to improve the quality， color and flavor of food， but excessive use will cause harm to human health. Therefore， the development of a simple， rapid， selective and accurate method to detect the content of food additives is of great significance to protect the health of consumers. In recent years， carbon dots （CDs） probe has occupied a place in the field of food additive detection due to its advantages of simple preparation， low cost， good biocompatibility and high sensitivity. In this paper， the synthesis methods， luminescence mechanism and the main applications of CDs as probes in the detection of food additives are summarized， and the development prospects of this research field are also prospected.

Keywords： carbon dots; fluorescence; food; food additive

依據《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》（GB 2760—2014），食物添加劑可以界定為“為改善食品品質和色香味，并且為防腐蝕、恒溫和工藝的要求而加入食品中的人工方法制備或天然物質”。產品類別主要為防腐保鮮類、結構改良類、風味改良類、色澤改善類、營養強化劑以及其他食品添加劑[1]。但是，因為這些食物添加劑屬于人工合成物質，這些化學物質對身體都存在不同程度的影響[2]。如果不能對食物添加劑的使用加以控制，人們的健康將會遭受危害。其中，CDs探針在食品添加劑檢測方面的應用廣泛。基于此，本文介紹了食品添加劑的危害，著重闡述了CDs的制備方式、發光原理及其作為探針在食物添加劑等領域的重要作用，并對該研究領域的前景進行展望。

1 食品添加劑的危害及檢測意義

在食品添加劑使用規范中，各種食物添加劑均有使用范圍和數量的限制，生產者必須嚴格依照要求進行使用。但是，在實際生產中，存在部分生產企業為了追求色香味俱全而隨意添加食品添加劑，違反了國家相關規定，為人們的生命健康帶來威脅，因此，采用合理的檢測方法加強對食品添加劑的檢測至關重要。目前，我國的相關檢測技術已經發展得較為完善，但由于食品中添加劑的成分較為復雜，因此，需要將多種檢測技術結合起來使用，從而確保食品添加劑檢測結果的準確性。同時要認識到食品添加劑的檢測與食品安全關系密切，過量的食品添加劑會對人體產生不良影響，因此為了確保食品市場的穩定、有序、健康發展，需要在食品進入市場之前對其進行添加劑檢測，確保食品安全，維護消費者健康。

2 食品添加劑常用檢測技術及特點

隨著相關領域科學技術的發展，在過去幾十年，不同檢測技術如紫外-可見分光光度法、高效液相色譜法（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）、質譜法（Mass Spectrometry，MS）、化學發光法、毛細管電泳法、電化學方法等都能有效地檢測出食品添加劑的種類及其含量，極大地提高了食品的安全性。然而，該類方法也有其不足之處，即需要昂貴的試劑、樣品處理方法復雜、檢測試劑對環境不友好等。因此，探索一種簡單、經濟、快速、選擇性好、靈敏度和準確度高的新方法日益迫切。近年來，由于熒光碳量子點（Carbon Dots，CDs）具備來源廣泛、成本低、粒徑小、水溶性好、化學惰性高、易功能化、抗光漂白性好、無光閃爍、毒性小和與生物相容性好等優點，存在替代傳統的熒光染料的金屬量子點的可能性，也為食品添加劑檢測提供了新的發展前景[3]。

3 CDs簡介

CDs是一種新型的熒光碳納米材料。在2004年，XU等[4]在單壁碳納米管的分離純化過程中首次發現了CDs。自此，關于CDs的合成制備方式、熒光特征及其有關應用等方面的研究進展迅速。CDs也因為具備熒光強度高、抗光漂白、光穩定性好和對生物相容性好等諸多優點，近年來引起了人們的重視，在生物技術成像、光電催化和食品研究等方面獲得廣泛應用[5]。

目前，制備碳點的技術主要分為兩大類：①“自上而下”的技術，包括電化學法、激光燒蝕法、電弧放電法、化工剝離法等；②“自下而上”的方式，包括水熱法、溶劑熱法、燃燒法、微波輔助法等。其中，水熱法、燃燒法和微波輔助法是CDs制備的常用方法[3]。

CDs的獨特結構使其擁有眾多的優良特性，其中表現最突出的是其光學性質。主要有紫外可見光吸收、光致發光、上轉換熒光和熒光穩定等[6]。CDs的發光機制目前還缺乏具體的理論，由于CDs的內核是一種以sp?雜化碳原子所組成的碳納米顆粒，表面上有一個獨特的功能基團，所以關于CDs的發光機制目前主要有兩種說法，即發光來源取決于其核態與表面態。

4 CDs探針在食品添加劑檢測方面的應用

4.1 檢測亞鐵氰化物

亞鐵氰化物（FeCNs），包括亞鐵氰化鈉（Na4[Fe（CN）6]）、亞鐵氰化鉀（K4[Fe（CN）6]）和亞鐵氰化鈣（Ca2[Fe（CN）6]），一般在食鹽中作為抗結塊添加劑使用，以保持鹽類的松散及流動性。FeCNs的氰化物基團與鐵原子之間的化學鍵很強，且自身的毒性很低。但是，FeCNs在高溫下會分解生成有放射性的氰化物，在堿性/強酸環境下才能轉變成氰化鈉/強效氫氰酸危害人體健康。據研究，長時間低劑量服用FeCNs可以引起神經損傷、帕金森癥、精神紊亂和精神衰竭；高劑量服用FeCNs可以引起呼吸急促、昏迷、意識完全喪失，或者導致死亡。因此，開發一種快速、便捷、準確的分析方法來檢測食品中的FeCNs至關重要。據研究，利用葡萄糖、EDA和HCl通過酸堿中和自放熱反應法成功制得氮氯雙摻雜碳點（N，Cl-CDs），在紫外燈照射下呈亮藍色熒光，加入K4[Fe（CN）6]后其熒光被明顯猝滅。這是首次利用CDs探針對FeCNs進行快速檢測，證明此工作為FeCNs的快速檢測提供了一種新的可能[7]。

4.2 檢測抗壞血酸

抗壞血酸（Assorbic Acid，AA），又稱維生素C，是蔬菜和水果提供的營養物質中的一類重要的水溶性維生素，可以治療壞血病。同時抗壞血酸為人體所必需的微量營養物質，影響人體的生長、代謝和發育，可以起到預防癌癥，心血管疾病等與自由基有關疾病。缺乏抗壞血酸會導致許多疾病，且由于人體自生不能合成抗壞血酸，只能從外界食物或藥物中獲取，因此對于食物中抗壞血酸含量進行檢測是有必要的[8]。LUO等[9]開發了一種氮硫共摻雜碳點（N，S-CDs）作為“關-開”熒光傳感器，即通過Fe3+（關閉）對N，S-CDs的熒光猝滅，再與抗壞血酸（Ascorbic Acid，AA）反應，使其熒光恢復（開啟）。該反應的檢測機理為N，S-CDs表面帶有的-NH2結合Fe3+導致熒光猝滅，AA還原Fe3+導致配位配合物中-NH2釋放使得熒光部分恢復。其所形成的抗壞血酸傳感器具備高度的選擇性和穩定性，該CDs探針可成功用于測定水果中的抗壞血酸水平濃度。

4.3 檢測非法添加色素

國內外因添加非法添加劑而造成人體損傷，或造成重大社會影響的各案例不斷提示人們食品安全的重要性，不論是國內三聚氰胺事件還是瘦肉精事件等，都突出強調了使用非法添加劑的巨大危害。例如，蘇丹I有著高度致癌的特征，不過在經濟利益的驅動下，違規加入蘇丹I的情況依然存在。利用水熱合法原理將廢舊香煙濾嘴作為碳源制備有較好穩定性的CDs，或者采用熒光共振能量轉移原理就可檢出在辣椒粉、辣椒醬和番茄醬中的蘇丹I。試驗結果顯示，該方法最大熒光探針的檢出線性范圍為2.40～104.00 μmol·L-1（R2=0.991），最大檢限區間為0.95 μmol·L-1。在Cu2+、山梨酸鉀、維生素C等的干擾下，該方法仍然對蘇丹I有較好的效果選擇性[10]。

4.4 檢測可食用合成色素

胭脂紅、檸檬黃、莧菜紅都是較為普遍的作為食品添加劑的食用色素，不過一些商家為讓食物色澤更好看，會過度加入這類色素，因此如果經常食用帶有過量色素的食品會對身體健康不利。例如，食用含過多檸檬黃的食物可能導致腹瀉和過敏，更嚴重的還會損害肝和腎功能；食用含有過量胭脂紅的食品則有可能引發腫瘤。基于CDs的熒光分析法在檢測食品色素中有著廣泛的應用。例如，從檸檬皮中提取碳元素所制成的CDs可用于測定飲料中的胭脂紅，測定范圍是0.20～30.00 mg·L-1。但是，由抗干擾實驗結果可知，檸檬酸、蔗糖、維生素C等物質對于該檢測方法是一種潛在的干擾因素，會影響到胭脂紅檢測結果的準確性[11-12]。

5 結語

CDs具有良好的生物相容性、可忽略的細胞毒性、優異的光穩定性和良好的水溶性等特性且可實際應用于食品添加劑的快速檢測。然而，CDs仍然存在一些缺點（如粒徑分布不均、選擇性不好、量子產率較低等）。目前，非金屬原子摻雜和表面修飾能提升其量子產率和粒徑均勻程度，可有效調節CDs表面特征和化學性質。硼、氮、磷和硫是CDs中最常見的摻雜原子，因為它們的原子半徑與碳相似，并且摻雜后可極大地提高CDs的熒光量子產率、水溶性和選擇性等特性。因此，在未來的研究中，可以進一步考慮拓展CDs的合成路線，提升CDs對食品添加劑檢測的靈敏度。

參考文獻

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