碳点的功能化及其在食品安全领域的应用

李延琪, 王 昱, 冯 亮

(1. 中国科学院大连化学物理研究所, 中国科学院分离分析化学重点实验室, 辽宁 大连 116023; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)

食品安全问题已经成为全球关注的热点话题。色谱及相关技术作为食品质量控制及分析的重要手段[1],在构建食品溯源体系中扮演着关键角色[2,3]。但源于色谱相关技术的自身通量、成本等原因,在当前食品溯源检测体系中,色谱检测技术仅能保证食品在加工或销售过程中的抽样质量监测而较难以实现每个环节的跟踪式检测。因此,要构建新型全链覆盖式食品可追溯体系,就需要对相关的快检技术进行补充。基于比色传感原理的快检设备,由于成本低廉、选择性好、操作简便等优点,非常适合应用于新型食品安全溯源体系的构建[4]。近年来随着分析化学及材料化学的飞速发展,数以千计的可应用于比色传感的新型材料和新方法陆续被开发出来。在众多新型比色传感材料中,碳点由于制备周期短、材料来源广泛,且具有相对较高的量子产率、低毒性、良好的抗光漂白性、水溶性和化学稳定性等优点而备受关注[5]。这些特殊的性质使碳点相比于金属纳米材料、生物酶以及传统有机染料等,更适用于构建新型比色传感器并应用到食品安全检测中[6]。

图 1 碳点传感器文章发表趋势图Fig. 1 Trend of publications on CDs-based sensors Data source: Web of Science.

近年来,基于碳点的荧光比色传感器的文献报道快速增长(见图1),设计和开发新型碳点荧光传感器是当下的热点工作之一[7]。原始碳点由于制备方法及其元素组成等原因,其表面的有效传感作用位点的种类十分有限(主要为羧基、羟基、醛基等含氧官能团),因此未经功能化的碳点选择性和灵敏度较差[8]。如何有针对性地实现碳点的功能化修饰,是开发新型碳点传感器的核心部分[7]。

本文主要介绍了近年来碳点功能化修饰的研究进展和功能化碳点在食品安全检测领域的应用,并展望了开发基于功能化碳点的食品安全快检设备的应用前景。

1 碳点的功能化

原始碳点(仅含C、H、O元素)的表面结构较为单一,因此其选择性和灵敏度较差[8]。功能化修饰是碳点传感性质拓展并增强的关键方法。目前,碳点的功能化主要包括掺杂改性以及表面修饰两种。

掺杂改性作为材料改性方法早已广泛应用于无机半导体材料的研究中[9]。目前在碳点掺杂改性中使用最为广泛的掺杂物为氮、硫、硼、磷等杂原子(见图2)[10],金属离子掺杂的相关文献报道也逐渐增加。由于前驱物种类和制备方法的多样性,碳点的结构不确定性使其在掺杂或修饰改性后固有能带、电子跃迁/转移等性质发生改变。而表面修饰方法则较少涉及碳点内部结构的变化。因此本文将着重以碳点掺杂改性为主,对碳点表面修饰方面的研究仅作简略的介绍。

1.1 碳点的掺杂

1.1.1 氮原子掺杂碳点

氮原子具有较高的电负性,在碳骨架结构(例如石墨烯、碳纳米管)中掺杂氮原子能够引起其固有费米(Femi)能级发生移动,从而导致其荧光强度增强。类似的现象在氮掺杂碳点的工作中也多有报道[5]。同时,碳点荧光增强的程度会随着氮掺杂含量的增加而提高。

图 2 不同温度下碳点荧光中心的形成机制[15]Fig. 2 Mechanism of the formation of fluorescent center in carbon dots at different temperatures[15]

除了从下而上的掺杂法外,研究者们还通过将大尺寸的含氮物质通过切割、刻蚀、水热等方法来制备氮掺杂碳点。这些大尺寸的含氮材料包括蜡烛灰[24]、含氮氧化石墨烯[25]、壳聚糖[26]、蛋白质[27]以及一些天然产物,例如草[28]、咖啡粉[29]、橘子皮[30]、蔗糖[31]等等。Liu等[32]在2007年用酸蚀蜡烛灰的方法制备了一种较高含氮比(质量分数>9% )的碳点,并将产物通过毛细电泳分离得到多个组分。所得各组分碳点的直径从20 nm到800 nm不等,并且碳点直径的大小与发射波长有一定的关系。这与传统半导体量子点的量子限域效应极为相似。Liu等[33]通过将氧化石墨烯粉末在二甲基甲酰胺(DMF)中热解制备得到了氮掺杂的石墨烯点。DMF在高于沸点时分解为二甲胺和一氧化碳,其中二甲胺能够与石墨烯表面的环氧官能团通过亲和开环反应生成1,2-氨基醇。该方法既可将sp2结构域从氧化石墨烯片层中剥离出来,又可实现对碳骨架的氮掺杂改性。但是,基于高度碳化前驱体的氮掺杂,产物碳点中的氮含量往往较低。

1.1.2 非氮杂原子掺杂

与氮掺杂相比,其他杂原子掺杂物主要包括硫[34]、硼[35]、磷[36]、硒[37]、硅[38]、氟[39]等。

硫掺杂是除了氮掺杂以外使用最多的碳点掺杂修饰方法。据文献报道,掺杂硫元素可以提高石墨烯片的自旋密度并引入额外的能级,从而增强石墨烯片的荧光强度[40]。同时,硫掺杂能够使这些杂原子包含在碳结构的边缘以及碳点表面的官能团中(噻吩硫以及氧化的硫)[41],使碳点表面在引入含硫活性位点外,还产生了额外的能级,进而增强了边缘(表面)辐射态的荧光强度。此外,掺杂硫原子还能够提高碳骨架边缘结构中碳原子的自旋密度,从而增强碳点的电子转移能力[42]。因此,在一定范围内提高前驱物中的硫碳物质的量比,可以有效地提高碳点的荧光量子产率。硫掺杂碳点的代表性前驱物是巯基氨基酸、过硫酸钠及硫代苹果酸。

磷掺杂也是使用较多的碳点掺杂修饰方法。据Shi等[36]报道,掺杂磷元素后,碳点的荧光量子产率得到了明显的提升。碳点在掺杂磷后表面会形成更多的sp2碳簇,而碳簇数量的增多提高了碳点的荧光量子产率[43]。同时,由于磷原子的引入,在碳点的固有能带中形成了新的缺陷,进一步提升了磷掺杂碳点的荧光量子产率。这一推论也被用于解释硅掺杂所引起的碳点荧光增强的现象。Zou等[44]认为硅掺杂碳点的高荧光量子产率来源于碳点表面硅官能团引入后所形成的有助于增强碳点激子辐射复合的新表面态。Barman等[45]通过对比磷掺杂和硼掺杂的碳点发现,磷掺杂为n型掺杂,有助于碳点的激子进行辐射弛豫,从而使得磷掺杂碳点的荧光量子产率提高。而硼掺杂则属于p型掺杂,p型掺杂增加了碳点内部激子的非辐射弛豫,从而导致产物碳点的荧光量子产率降低。目前,硼掺杂碳点的荧光量子产率大多低于10% 。

1.1.3 金属掺杂

金属离子掺杂是金属纳米颗粒修饰的重要方法之一。虽然不含金属元素是碳点作为新型荧光材料的特点之一,但金属掺杂能够赋予碳点许多新的性质。不同金属离子具有不同的外层电子轨道,且价态变化多样,使得金属掺杂碳点具有多种多样的光学及传感性质。目前,在碳点修饰中已经实现掺杂的金属包括Gd[46]、Zn[47]、Cu[48]、Mg[49]、Mn[50]、Co[51]、Te[52]、Ge[53]、Ga[54]、Al[55]等。值得注意的是,金属掺杂的碳点骨架中多有含氮结构作为金属掺杂物的结合位点。

锰是最早应用于半导体量子点掺杂的金属之一[56]。近期,Wang等[57]使用金属指示剂1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚(PAN)与氯化锰通过一步溶剂水热法制备了一种锰掺杂碳点。通过表面增强拉曼光谱和红外光谱分析发现,锰掺杂碳点中存在着类似Mn[PAN]2的螯合结构,证明了锰是以配位的形式被引入碳骨架内部。通过与未掺杂碳点(仅用PAN做前驱物制备合成)的荧光光谱对比发现,锰掺杂碳点的发射峰发生了明显红移。利用激发光谱、发射光谱以及2D荧光光谱分析,通过构建三维荧光结构图,揭示了该类功能化碳点中存在着能量由表面态向与锰相关金属态的转移,即碳点颗粒内荧光能量共振转移系统,且该系统对所处分散体系的极性十分敏感。

其他金属掺杂的碳点也多有文献报道。例如将Gd作为掺杂金属,碳点作为载体制备得到的碳点可用于解决目前含Gd的MRI造影剂强生物毒性的问题。将Gd掺杂入碳点后,其因游离Gd造成的生物毒性大幅降低,掺杂的碳点靶向性更好,光学性质相较于含Gd的传统半导体量子点或有机荧光探针也更为出色。在小鼠实验中,Gd掺杂碳点在注射后能很快经膀胱排出生物体外。同时,小鼠尿液的分析结果也表明在排出的尿液中没有游离的Gd,证明了Gd掺杂碳点在造影及代谢过程中具有良好的化学稳定性,因此其在医疗领域有巨大的应用价值[58]。铜掺杂也是常见的碳点金属掺杂改性方法之一。Wu等[59]通过煅烧Na2[Cu(EDTA)]制备了铜掺杂碳点。通过实验发现,不同的煅烧温度对产物碳点中的铜含量及价态影响巨大。温度越高,铜百分比则越低,且Cu(Ⅱ)越容易被还原成Cu(0),从而影响了掺杂碳点产物的光催化效能和电导率。通过与未掺杂铜的碳点(EDTA碳点)进行对比试验,发现Cu-N结构可以极大程度地提高碳点得失电子的能力以及电导率,使其具有良好的光催化性能。Cheng等[47]用柠檬酸和尿素与氯化锌通过溶剂热反应制备了具有橙黄色荧光的锌掺杂碳点,其最大发射波长红移至580 nm并表现出激发不依赖的荧光特点。这是由于Zn掺杂在碳点能带中引入了新的能级,从而形成更多表面位点,使掺杂碳点的发射光谱发生红移。

1.2 碳点的表面修饰

碳点表面丰富且相对简单的官能结构,使其表面易于修饰改性。表面修饰根据反应原理可以分为两类:即共价修饰和非共价修饰(见图3)[60]。原始碳点的表面含有大量羧基,因此,酰胺耦合和酯化是碳点表面修饰常用的方法。对于氮掺杂的碳点,其表面的氨基结构也是酰胺耦合能够成为该类碳点表面修饰重要方法的原因之一。N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)是碳点表面修饰酰胺耦合反应中常用的羧基活化剂。非共价修饰原理则主要包括:1)π-π堆积效应,如碳点/石墨烯、碳点/葡萄糖、碳点/DNA等体系的构建;2)络合作用,例如碳点与金属离子、金属纳米颗粒的结合改性;3)静电吸引,例如碳点与功能性小分子、适配体、酶等等的结合。

2 碳点在食品安全领域的应用

食品安全问题主要源于化学污染和添加剂滥用,包括重金属离子、阴离子、农药、兽药等等。近年来,碳点荧光传感器在食品安全领域的应用受到了广泛的关注。文献已报道的碳点荧光传感器,根据其检测原理的不同可分为荧光淬灭和荧光增强(或恢复)两大类。下面将根据检测对象的分类来进行介绍。

图 3 碳点表面修饰[60]Fig. 3 Surface modification of carbon dots[60]

2.1 重金属离子及非金属离子

许多重金属离子在人体内具有累积效应,因此食品中重金属离子含量的定量检测至关重要。汞离子由于具有很强的神经毒性,是食品重金属检测,尤其是水产品质量检测中重要的检测物之一。Wang等[61]利用红氨酸与汞离子的特殊亲和性,即红氨酸仅能和汞离子特异性形成-S-Hg-S-的二齿二配位结构,开发了一种基于氮硫共掺杂的碳点(NSCDs),并将其用于汞离子快速检测试纸的制作。该检测试纸可应用于汞离子、氰根离子以及氢硫酸根离子的快速检测。水溶液中的Hg2+离子可与NSCDs表面的红氨酸残基络合,使碳点荧光发生淬灭。这一过程对汞离子表现出良好的选择性,而在NSCDs@Hg2+络合物溶液中加入CN-离子,NSCDs的荧光重新恢复,但加入氢硫酸根离子时则发生显著的颜色变化。吡啶-2,6-二羧酸与汞离子有强结合力,利用吡啶-2,6-二羧酸制备的可用于快速测定汞离子的功能化碳点传感器,实现了其对人体尿液中汞含量的快速测定,有助于预防由于食品污染所引起的慢性汞中毒[62]。由叶酸和乙二醇制备的氮掺杂碳点也对汞离子表现出较好的选择性,其选择性则可能来自于汞离子诱导的内酰胺开环反应以及碳点激发态电子向汞离子d轨道的转移[63]。针对水产品中的铬离子污染问题,Zhang等[51]利用金属掺杂碳点独特的颗粒内荧光能量共振转移性质,制备合成了一种检测Cr(Ⅵ)的碳点用于水产品中铬离子的快速检测。水产品样品中存在的Cr(Ⅵ)会影响该碳点表面的荧光转移,使其表面态荧光强度减弱,而掺杂的金属离子对其荧光强度几乎没有影响。此外,Zhang等[64]利用柠檬酸和PEG-二胺制备的氮掺杂碳点对铁离子表现出良好的选择性,其Fe3+线性检测区间为0.01 μmol/L 到500 μmol/L,检出限为2.5 nmol/L。作者通过模拟计算发现三价铁与酚羟基复合物的能级差要小于碳点自身的带隙。因此,激发态的电子可以转移到铁的d轨道并通过非辐射跃迁转移回到基态,导致荧光淬灭。未掺杂碳点也同样具有相同的Fe3+荧光淬灭机理,但是氮掺杂后碳点的电子和化学特征发生了变化,使碳点的酚羟基与Fe3+更易形成复合物,从而提高了碳氮对Fe3+的灵敏度。目前,基于碳点的化学传感器已经实现了对Cu2+、Zn2+、Ag+、Al3+、Pb2+、Cr2+、Mn2+、Cd2+等重金属离子的定量检测[65]。

图 4 基于氮硫掺杂碳点的Hg2+、CN-及HS-离子检测[61]Fig. 4 Detection of Hg2+, CN-, and HS- based on N,S-doped carbon dots[61]

2.2 农药残留物

农残检测中的功能化碳点传感器主要为碳点与酶、金属离子或纳米颗粒组成的复合结构[68]。Hou等[69]利用农药对乙酰胆碱酯酶活性的抑制作用,降低了复合体系内产生的H2O2浓度,从而使淬灭的碳点荧光恢复,达到对多种有机磷类农药的快速检测。酪氨酸酶能够催化酪氨酸甲酯生成荧光淬灭剂奎宁。甲基对硫磷农药可抑制络氨酸酶的活性,从而降低体系中的奎宁浓度,使淬灭的碳点荧光恢复,达到对甲基对硫磷农残的快速检测。同样,基于酶催化抑制原理,金属离子@碳点复合结构的碳点传感器也已实现了对马拉硫磷[70]和敌敌畏的快速检测[71]。硫代乙酰胆碱(ATChCl)在乙酰胆碱酯酶(AChE)的催化作用下产生的硫代胆碱(TCh)可与Cu2+结合,从而使被Cu2+淬灭的碳点荧光恢复。加入敌敌畏后,由于敌敌畏抑制了乙酰胆碱酯酶的活性,从而碳点的荧光再次被Cu2+淬灭[71]。此外,金属胶体纳米颗粒,如AgNPs、AuNPs和量子点,也能通过荧光能量共振转移(FRET)或内滤效应(IFE)等机制引入到基于碳点的农残检测中[72]。

2.3 抗生素及兽药

利用碳点传感器检测抗生素及兽药的工作也多有文献报道。基于碳点荧光传感器的抗生素检测机理主要有两种。一种是通过碳点直接与抗生素相互作用,使其荧光淬灭检测。荧光淬灭机理源于碳点产生的激子被碳点@抗生素复合物中新形成的能级所捕获。利用这类碳点传感器实现了对土霉素、金霉素、强力霉素等四环素,以及头孢氨苄[73]、环丙沙星[74]、诺氟沙星[75]、磺胺嘧啶[76]等抗生素的检测,但此类碳点传感器的选择性往往较差。另一种则是利用抗生素与碳点@金属复合物之间发生相互作用来实现高选择性的传感检测。Qu等[77]利用四环素与Al3+之间的螯合作用,抑制了Al3+与碳点之间的荧光增强效应,从而实现了碳点对四环素的高选择性检测。此外,碳点@Fe3+体系也被报道用于定量检测肉中土霉素的残留量[78]。

快速检测肉类及奶制品中的激素类兽药也是目前广受关注的热点问题之一。利用己烯雌酚与硫硼掺杂碳点之间形成的氢键及π-π堆积效应,Zhao等[79]报道了一种可用于测定牛奶中己烯雌酚(非甾体激素类药物)含量的碳点传感器。Liu等[80]报道了基于碳点@胶体金的瘦肉精传感器。在碳点@胶体金复合体系中加入瘦肉精时,胶体金和瘦肉精之间发生Au-N螯合作用,碳点的荧光强度恢复,从而实现了对瘦肉精的快速测定。

2.4 细菌

大多数细菌的表面等电点较低,通常带有丰富的负电荷。修饰后的碳点能够附着于细菌表面,同时其荧光强度发生显著的增加[81]。因此,利用碳点构建的细菌荧光传感器受到了广大研究者们的关注。

Wang等[82]报道了一种典型的基于适配体修饰的复合型碳点传感器,该传感器可识别伤寒沙门氏菌表面的一种特定膜蛋白,根据溶液的荧光强度定量检测鼠伤寒沙门氏菌的浓度。利用类似的原理,经甘露糖[83]、黏菌素[84]、阿米卡星[85]等修饰的碳点,以及经抗体@有机硅纳米颗粒修饰的碳点,分别成功用于定量检测大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的含量[86]。此外,碳点在细菌表面团聚所发生的荧光淬灭效应也可被用于细菌的定量检测[87]。

2.5 食品添加剂

食品添加剂也是食品安全领域中的重要内容。目前,基于碳点的荧光传感器已被应用到多种食品添加剂的快速定量检测中,如维生素[88]、氨基酸和蛋白质[89]、糖类[90]、植酸[91]、日落黄(食用色素)[92]、咖啡酸[93]、姜黄素[94]、儿茶酚[95]、山柰酚[96]、酒黄石[81]、单宁酸[97]、三聚氰胺[98]等等。其检测原理同样是基于碳点与金属离子、酶或胶体金属纳米颗粒构成复合体系,再与待分析物之间产生相互作用。碳点的荧光强度与被分析物浓度之间的线性关系是其实现的定量检测的根本。碳点作为一个良好的光学信号体在适当的修饰后,其选择性和灵敏度均有大幅提升。

3 总结与展望

经过近10年的研究,碳点作为新型光学传感材料在众多领域中的重要性日益显著。碳点由于其制备方法简单、成本低廉、抗光漂白性及化学稳定性好等优势,在食品安全快速检测领域表现出巨大的应用潜力。经过掺杂或修饰后,功能化的碳点具有靶向性识别食品中重金属、农药残留、兽药残留、细菌以及添加剂的能力。因此,对碳点进行有针对性的掺杂及修饰是设计碳点荧光传感器的核心内容。

但是,碳点的功能化尚存在不少问题亟须解决。首先,前驱物种类和制备方法不同,导致碳点结构的不确定性为其掺杂和修饰造成了诸多不便。研究者需要通过反复的实验筛选而不是通用性的理论指导来得到相应的碳点掺杂和修饰方法。其二,功能化的碳点颗粒之间、制备批次之间存在的差异导致其在传感检测中的重复性和稳定性较差,这一问题很大程度上限制了功能化碳点的仪器化转化。第三,由于碳点自身结构的特点,大多数功能化碳点的固有能带间隙较宽,荧光发射波长较短,这使得碳点传感器在检测时受到较大的背景噪声干扰,从而限制了功能化碳点在复合传感器中所发挥的作用,即在大多数情况下碳点仅能作为荧光能量给体或光源信号体使用。要解决这些问题,最重要的是实现碳点结构的可调控制备,这也是目前碳点研究领域中的一项重要挑战。

在食品安全问题日益严重的当下,色谱-质谱联用技术作为标准实验室方法,由于检测通量及费用等问题暂无法满足食品从种植到餐桌这一过程中的全链覆盖式检测需求。因此,开发新型的快检设备是实现全链覆盖式食品溯源检测体系的重要手段。相较于胶体金属纳米颗粒及传统荧光探针,碳点在制备成本、使用安全性及化学稳定性等方面都具有更大的优势。开发基于功能化碳点的新型食品安全快速检测设备也将是碳点传感器领域的一个重要方向。相信在不久的将来,应用功能化碳点荧光传感器的食品安全快检设备能够设计完成并实现应用。