量子點技術在食品安全領域的研究進展

張繼軍 范力藝 李凡

摘 要：隨著人們對食品安全的關切日益增加，現代科技在這一領域的應用備受關注。量子點技術作為近年來新興的納米材料，具有獨特的光學和電學性質、生物相容性等，在食品安全領域的應用前景廣闊。本文簡要介紹了量子點的主要性能及其在食品安全領域中的應用，包括在營養組分分析、化學污染物檢測、微生物檢測、水質監測、量子點光譜等方面的應用，以期為食品安全檢測技術的發展提供參考和思路。

關鍵詞：量子點；食品安全；農藥；微生物；量子點光譜

Research Progress on Quantum Dots Technology in Food Safety

ZHANG Jijun1， FAN Liyi1，2， LI Fan1*

（1.COFCO Nutrition & Health Research Institute， Beijing 102209， China; 2.COFCO Biotechnology Co.， Ltd.， Beijing 102209， China）

Abstract： With peoples increasing concern of food safety， the application of modern technology has attracted much attention. Quantum dot technology， as an emerging nanomaterial in recent years， has excellent optoelectronic properties， biocompatibility， and stability， which make it widely applicable in food safety. This paper briefly introduces main properties of quantum dots and their applications in food safety， including nutrient composition analysis， chemical pollutant detection， microbial detection， water quality monitoring， quantum dot spectroscopy， in order to provide reference and ideas for the development of food safety detection technology.

Keywords： quantum dot; food safety; pesticides; microorganism; quantum dot spectroscopy

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對食品安全的關注度越來越高。傳統的食品安全檢測方法通常需要耗費大量的時間和人力、物力，因此找到一種快速、準確、可靠地檢測食品成分和污染物的方法備受關注。量子點（Quantum Dots，QDs）作為近年來新興的納米材料技術，在科學研究和工程中的應用越來越廣泛，在光學、電子學、生物學和醫學等領域發揮著重要的作用[1]。本文論述了量子點技術，特別是碳量子點（Carbon Quantum Dots，CQDs）在食品安全領域的應用進展，并探討其未來發展方向。

1 量子點的主要性能

量子點是一種納米材料，大小通常為1～10 nm，具有獨特的光學和電學性質，如量子尺寸效應、高光穩定性、窄發射光譜等。調節量子點的尺寸、形狀和結構可調控其能帶帶寬、吸收光、發射光的顏色等[2]。因其獨特的結構特點和光電性質，QDs近年來被廣泛應用在能源、環境、工業、生物和醫療等領域。

2 量子點的主要合成方法

QDs的合成方法主要分為“自上而下”“自下而上”兩大類方法，包括水熱法、溶劑熱合成法、電化學法、濕化學法和氣相沉積法等[3-4]。其中，溶劑熱合成法是一種簡單易行的方法，可以在較短的時間內制備出高質量的量子點[5]。與無機半導體熒光材料相比，碳量子點具有親水性、低毒、生物相容性高、生產成本低和易規模化生產等特點[6-7]。近年來，以小分子和可再生資源生物質為前體開發的綠色合成方法為高效綠色制備CQDs提供了新思路，具有綠色環保、低成本、可持續的應用前景[8-9]。

3 量子點技術在食品安全與分析中的應用

有毒重金屬殘留、農獸藥殘留、致病病原體污染以及使用非法添加劑等均是食品存在的主要問題。質譜、色譜、紅外光譜和電感耦合等離子體質譜等常規的分析方法可以準確檢測食品中的有毒有害物質，但樣品前處理煩瑣、檢測耗時長、成本高。基于量子點的快檢方法比傳統檢測技術成本低、耗時短、操作簡便，且無損傷，為食品安全檢測提供了新思路[10-11]。

3.1 營養組分檢測

食品中含有多種營養素，如碳水化合物、蛋白質、脂類等，對于保持人類的健康飲食非常重要，量子點技術可用于檢測食品中的多種營養素。QDs可與醇溶蛋白抗體偶聯，用作熒光探針追蹤面團和烘焙面包中醇溶蛋白的分布[12]。含有羧基封端基團的水溶性CdSe/ZnS核/殼量子點可與谷蛋白和玉米醇溶蛋白以共價鍵結合[13]。具有核殼結構的分子印記熒光傳感器（SiO2@QDs@ms-MIPs）可檢測藻藍蛋白[14]。氮摻雜碳量子點和DNA具有強靜電作用，由此構建的自組裝納米探針可有效檢測魚精蛋白，具有快速、簡單、靈敏的特點[15]。通過調控環境溫度可以調節印跡材料（ucnps@mofs@mip）對牛血紅蛋白的識別和檢測，其對牛血紅蛋白的吸附量遠高于傳統分子印跡材料[16]。

葡萄糖是細胞代謝的主要能量來源，在人體內的濃度、代謝等與糖尿病等疾病的發生密切相關。因此，檢測體液中葡萄糖的含量非常重要。基于氮摻雜碳點和CdTe量子點平臺的熒光探針可用于H2O2/葡萄糖檢測[17]。一種具有過氧化物模擬酶活性的水溶性CQDs對葡萄糖的檢出限為5.10 μmol·L-1（S/N=3）[18]。

3.2 化學污染物檢測

化學污染物包括重金屬、農獸藥殘留等，是食品安全領域的重要關注點。基于CQDs的熒光探針可用于檢測金屬離子，Hg2+、Fe3+、Cu2+、Ag+、Al3+、Pb2+和Co2+均能被定量檢測。與傳統檢測方法相比，基于CQDs的納米傳感器在靈敏度和選擇性方面具有明顯優勢[8]。不同基團修飾的Mn∶ZnS QDs可構建4種QDs傳感器陣列，能同時檢測Cu2+、Hg2+、Ag+和Cd2+等[19]。石墨相氮化碳量子點對Fe3+/Fe2+、Hg2+等金屬離子，Cl-、F-、I-和NO2-等陰離子的檢測均有研究報道[20]。

在農作物生長過程中可能會使用農藥三唑磷、百草枯等，若清洗不徹底，殘留農藥會進入人體，嚴重危害人類健康。采用CdSe/ZnS QDs熒光免疫法可方便、快速地檢測農作物中殘留的三唑磷，該方法檢出限為0.508 ng·L-1，檢測范圍為0.01～25.00 μg·L-1[21]。使用水溶性CdSe/ZnS QDs檢測水樣中百草枯，檢測限低達3.0 ng·L-1，該方法簡便快捷、重現性好[22]。

基于CdSe QDs的熒光傳感器可檢測萊克多巴胺、環丙沙星等獸藥殘留[10]。殼聚糖修飾的多壁碳納米管分子印跡聚合物電極對豬肉中殘留的喹噁啉-2-羧酸的電化學響應非常靈敏，由此建立的檢測方法檢測限為4.4×10-7 mol·L-1（S/N=3） [23]。

3.3 微生物檢測

微生物污染是食源性疾病的主要原因。量子點技術已被用于檢測食品中的微生物污染，如沙門氏菌、大腸桿菌等。采用CdSe QDs熒光探針可快速檢測食源性大腸桿菌、金黃色葡萄球菌，其檢出限為102 CFU·mL-1，可在1～2 h內完成細菌總數檢測[24]。CQDs已被應用于大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、酵母菌和枯草芽孢桿菌等微生物細胞成像[25]。

平板計數、菌落計數等傳統檢測技術難以滿足對食源性病原體的快速檢測要求，迫切需要開發快速、靈敏、簡單易行的檢測方法。量子點尺寸緊湊，檢測限低、耗時短、性能穩定，為便攜式快檢設備提供了一種解決方案，與智能手機相結合的檢測方法有助于產生新的應用突破，綠色、低毒量子點材料對食源性病原體的檢測具有實際的應用價值[26]。

3.4 食品非法添加劑檢測

食品中非法添加是食品安全領域的重要關注點，QDs已被用于檢測食品中的非法添加劑。在三聚氰胺事件后，對乳品中三聚氰胺進行檢測非常重要，賀超才等[27]、蘇安梅等[28]研究團隊發現使用CQDs熒光技術可快速檢測乳品中的三聚氰胺，檢出限分別為0.01 μg·mL-1和2.2 mg·L-1，兩種方法均能滿足實際工作中對三聚氰胺檢測的要求。

石墨相氮化碳量子點能檢測酚類、三聚氰胺等有機化合物和膽固醇、抗壞血酸、多巴胺、谷胱甘肽和核黃素等生物醫藥試劑[20]。使用CdSe QDs可快速檢測豬肉中的瘦肉精（沙丁胺醇），其檢出限為0.005 6 ng·mL-1[29]；CdSe QDs技術還可檢測食品中其他小分子，如組胺、三甲胺、香蘭素等[10]。

3.5 水質監測

近年來，水環境的監測治理問題愈發重要，量子點可用于水質監測。富氧羥基CQDs的高靈敏度熒光探針可用于飲用水中Cu2+的檢測，其最低檢測限為10 nmol·L-1[30]。谷胱甘肽穩定的CdSe量子點對六價鉻具有靈敏的熒光猝滅作用，該方法對水中痕量Cr6+的檢出限為0.01 μg·L-1，具有檢測數據重現性好、靈敏、準確等優點[31]。通過一步水熱法合成的水溶性好、穩定性高的CQDs可以用于環境水樣中Hg2+的快速檢測，檢出限為2.3 nmol·L-1（S/N=3）[32]。基于類石墨相氮化碳量子點的熒光化學傳感器可用于檢測水相中的三硝基苯酚[33]。

3.6 量子點光譜

半導體量子點具有吸收譜帶寬、發射譜帶窄、量子產率高等優點，是制備探測器、量子光源等的優質材料[34]。量子點濾光片是量子點光譜儀的核心元件，由具有不同濾光特性的量子點薄膜陣列組成。國際上首次報道的膠體量子點微型光譜儀的量子點濾光片是由195種量子點組成的透光薄膜陣列[35]。

絕大多數微型光譜儀的成本較高，而量子點芯片的制造成本很低，技術成熟后還可進一步降低。許多微型光譜儀在復雜環境下工作穩定性會明顯降低，而量子點穩定的吸收特性使其光譜重建結果具有更高的重現性，可長時間戶外監測使用。此外，通過增加量子點數目、提高探測器精度、優化算法和引入神經網絡深度學習等，可以進一步提高量子點光譜儀的光譜重建精度，提升光譜探測性能[34-35]。

量子點光譜儀是一個集量子點技術、光譜學、電子學等多種技術于一體的高科技儀器，在食品、環境、醫藥和生物技術等領域具有廣闊的應用場景。

4 結語

與傳統分析檢測方法相比，量子點技術具有快速、靈敏、無損和經濟實用等優點，在食品領域的應用前景廣闊，并取得了一定研究進展。碳量子點在分析檢測、生物成像、細胞追蹤等領域應用越來越廣，其在重金屬離子的分類測定、測量生物小分子結構、測定細胞器組成等方面發揮巨大作用。盡管量子點技術在食品安全領域具有許多優點，但仍存在一些挑戰和問題。①需要進一步優化量子點的制備方法和表面修飾技術，以提高其穩定性、安全性、靈敏度。②需要建立更加完善的檢測標準和規范，以確保量子點技術在食品安全領域的準確性和可靠性。③需要進一步研究量子點技術在實際生產應用中的可行性、經濟性等。

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