碳量子点的制备及其在食品安全检测方面的应用

火兴妍，刘荔贞，李海红，冯锋,

1. 山西师范大学化学与材料科学学院（临汾 041000）；2. 山西大同大学化学与环境工程学院（大同 037000）

碳量子点（CDS）又称碳点，是一种大小10 nm以下的零维荧光准球形纳米粒子。自2004年Xu等[1]分离纯化单壁碳纳米管时首次被发现以来，CDS的性质、合成及应用得到广泛研究。CDS的性质主要包括激发/pH依赖性、化学稳定性、耐光漂白性等。近年来，在微波辐射和超声波等方法的辅助下，以小分子和可再生资源为前体，提出几种新的合成方法，CDS合成方法的改变为高效绿色CDS的制备提供新思路。虽然有较多研究聚焦CDS在检测方面应用，但很少介绍CDS荧光探针在食品安全检测中的应用。不同类型食品污染物，包括农药、抗生素和违禁添加剂等，都可用CDS荧光探针检测，表明其可广泛应用于食品分析。因此，对相关文献进行总结，介绍CDS性质和合成方法，对CDS在食品安全检测方面应用进行详细且全面综述，有助于CDS传感体系深度开发。

1 CDS性质

作为新型碳纳米材料，CDS具有独特的发光性质，其发射波长和荧光强度具有明显激发波长依赖性，这种性质与CDS表面官能团及大小有关。CDS具有pH依赖性，溶液pH变化会显著影响CDS荧光强度。CDS还表现出上转换发光的性质及优异的耐光漂白性，提高光子组织穿透率的同时能有效克服有机染料易光漂白的缺点。此外，不同方法和不同碳源合成的CDS表面含有大量—OH，—COOH等水溶性基团，因此可直接分散在水溶液中。而光稳定性好是CDS的另一大优势，高的光稳定性能够克服传统荧光材料光衰弱和光闪烁现象。与传统含金属量子点不同，CDS主要含有C、O、H和N这4种元素，意味着CDS具有低毒性和良好生物相容性，不会毒害细胞和组织，因此CDS在食品安全检测方面表现出巨大应用潜力。

2 CDs合成

制备CDs的合成路线可分为“自上而下”和“自下而上”两类。“自上而下”法是通过分解更大的碳结构，如石墨粉末、石墨氧化物、碳纳米管等，将其转化为纳米的碎片，主要包括激光消融法、电弧放电法、电化学法等；“自下而上”法是通过燃烧或热处理小分子前体制备CDs，主要包括热解法、微波辅助法、水热法、超声辅助法等。与传统的制备方法如电化学氧化和激光消融法比较，水热法和微波辐射等合成方法因其合成可控、设备简单、节能环保，应用最为广泛。

2.1 水热法

水热法通过在高压反应釜内直接加热含有碳源的溶液制备CDs，由于其操作简单而成为近年来最流行的方法，尿素、柠檬酸等多种小分子被用于制备CDs。Zhu等[2]使用柠檬酸和乙二胺分别作为碳源和氮源，采用水热法在150～300 ℃下处理5 h制备QY（量子产率）80%的N-CDs。Zeng等[3]通过水热处理L-丝氨酸和L-胱氨酸，在200 ℃下加热5 h，得到平均粒径2.6 nm的N, S-CDs，其QY为7%。然而，基于这些小分子合成的CDs会受到高成本和资源浪费的阻碍。水热法处理可再生资源，被认为是一种获得CDs的理想途径。有研究利用荔枝皮[4]、甜椒[5]、马樱丹[6]等可再生资源在180 ℃下分别制备QY 20.1%，19.3%和33.15%的CDs，其中通过荔枝皮制备的CDs大小分布在40～70 nm较宽的范围内。尽管存在多种合成前体，但水热法仍存在一些缺陷，如反应温度较高、制备时间较长等。

2.2 溶剂热法

溶剂热法是一种在有机溶剂中加热有机分子制备CDs的方法，也是一种操作简单高效的方法，CDs很容易通过前体的聚合和碳化合成。多种有机分子被用于通过溶剂热处理制备CDs。Li等[7]通过溶剂热处理无烟煤和二甲基甲酰胺溶液合成粒径4.7 nm、QY 47%的N-CDs。Shan等[8]以BBr3为硼源，对苯二酚为前驱体，采用溶剂热法在180 ℃下制备QY 14.8%的B-CDs。尽管操作简单，但该方法受到有机溶剂毒性和较高反应温度的限制。

2.3 微波辅助法

微波辅助法是通过向前体溶液提供有效和均匀的能量加速CDs制备的方法，它的主要优点是节能省时。Zhu等[9]首次在500 W微波炉中处理聚乙二醇和糖溶液（葡萄糖、果糖等），几分钟内合成CDs。多种基于微波辐射的合成方法得到研究。据Wang等[10]报道，在100 W微波炉中处理柠檬酸和氨溶液溶，反应时间7 min时合成大小1.8 nm的N-CDs，其QY为44.3%。此外，利用可再生资源，如木梨[11]制备出QY 8.55%的CDs。使用微波法制备CDs时，控制反应时间是关键，因为短的辐射时间不足以完成碳化，而长的辐射时间会破坏CDs的表面结构。

2.4 超声辅助法

超声辅助法是一种公认的外部能耗低和能够提高前体反应活性的方法，可作为一种新的制备途径。Ma等[12]开发一种一步超声辅助合成方法，以葡萄糖和氢氧化铵为前驱体，反应24 h制备出N-CDs，该N-CDs的荧光发射可覆盖整个可见光至近红外光谱范围。研究发现，用超声辅助法合成的CDs均可呈现从可见光至近红外光谱范围的强荧光和上转换荧光。

水热法是应用最广泛的合成方法，最佳加热温度一般为180或200 ℃，微波辅助法也为CDs合成提供好处，如简单、低成本、反应时间短等。多种小分子和可再生资源被用于制备CDs，丰富了CDs合成途径。与小分子相比，可再生资源更适合制备大尺寸的CDs，但这些CDs往往表现出相对较低的QY。高QY（80%以上）的CDs通常要用小分子制备，如柠檬酸和乙二胺[2]。柠檬酸是制备高QY的CDs的关键前体，这可能是由于其成核能力。研究发现掺杂杂原子是提高碳量子点QY的有效途径之一，通过选择含有N、P、S、B等原子的前体制备出大量掺杂型碳量子点。杂原子的掺杂可改变CDs的电子结构，在其表面产生更多活性位点，对提高CDs的QY有很大帮助。

3 CDs在食品安全检测中的应用

食品中的化学污染物，如金属离子、杀虫剂和违禁添加剂等，对生态环境及人体健康构成严重威胁。为保证人体健康，需要发展更灵敏和准确的方法来检测食品中化学污染物。在食品安全检测方面已开发一些基于CDs的荧光探针，其设计主要有3种策略：一是分析物与CDs直接相互作用，导致CDs荧光猝灭或增强，在早期，大多数被用来检测金属离子；二是通过CDs的后功能化实现，这需要特定的受体与CDs结合，以构建具有高灵敏度和特异性的荧光纳米传感器；三是利用CDs与其他物质（猝灭剂、荧光团等）结合来作为传感材料，如已猝灭的CDs复合物的荧光会由于猝灭过程的中断和猝灭剂与目标物的结合而使CDs荧光恢复，其中最常见的是一些金属离子通过与CDs表面的静电相互作用和电子转移诱导CDs荧光猝灭，添加分析物后，由于分析物与金属离子之间具有较强的螯合作用，CDs的荧光逐渐恢复，最终实现对分析物的定量分析。依据这3种策略，基于CDs的荧光探针被设计并应用于荧光传感检测。

3.1 金属离子

一些常见的金属离子，如铅（Pb2+）、汞（Hg2+）和铜（Cu2+）离子，它们通过食物链在人体内的积累而引起各种健康问题，因此金属离子检测是食品安全检测中必不可少的一部分。基于CDs的荧光分析方法因具有操作简单、成本低、灵敏和准确等优点，被广泛用于检测金属离子。Meng等[13]报道一种基于CDs荧光猝灭的Hg2+的检测方法，在浓度0～48.6 μmol/L范围内，获得较好的线性范围，检出限达0.118 μmol/L。Bhatt等[14]通过水热处理Tulsi叶制备出对Cr6+敏感的CDs。同时，CDs表面的官能团，包括—OH、—NH2和—COOH也与Fe3+、Cu2+和其他金属离子具有亲和力，导致荧光猝灭/增强。一些金属离子，包括Hg2+、Fe3+、Cu2+、Ag+、Al3+、Pb2+和Co2+均得到定量检测。

将CDs荧光探针用于实际样品中（如自来水和河水）金属离子的测定，获得满意的回收率，表明基于CDs的纳米传感器是有潜力的分析平台。在检测实际样品前，对CDs荧光探针进行选择性分析是必要的，不同种类CDs对一种金属离子的选择性强于其他金属离子，一般不会受其他金属离子共存的影响。Gao等[15]制备的硅掺杂的CDs可高灵敏度和选择性检测Fe3+，而其他金属离子（Pb2+、Mn2+、Ag+、Fe2+、Mg2+、Cd2+、Cr3+、Ca2+、Ba2+、Hg2+、Cu2+和Zn2+）对CDs荧光强度影响较小，即使在活细胞，CDs依然可以灵敏和选择性地定量检测Fe3+。CDs对一种金属离子的高选择性可能是由于这种金属离子与CDs表面基团之间具有更强的亲和力或更快的配位能力。

与传统检测方法相比，基于CDs的纳米传感器在灵敏度和选择性方面具有明显优势。然而，报道的基于CDs的荧光探针主要集中在几种金属离子检测上，由于复杂的样品处理过程，只有少数应用于实际食品样品分析。

3.2 农药残留

农药长期不合理的使用导致食品中有较高的农药残留量，残留农药直接或间接地威胁人类的健康。目前已有许多研究基于CDs与酶、金属离子或纳米粒子复合物的荧光探针，且已应用于农残检测。

基于农药对酶活性的抑制作用，开发了酶抑制型CDs荧光探针来检测农药。Li等[16]报道一种基于AChE酶抑制型CDs荧光纳米传感器检测农药，首先乙酰胆碱（ACh）在乙酰胆碱酯酶（AChE）催化下转化为胆碱，然后胆碱被胆碱氧化酶（ChOx）进一步氧化成甜菜碱，同时伴随着荧光猝灭剂H2O2形成，由于许多农药抑制AChE的活性使H2O2无法生成，导致荧光恢复，从而能够灵敏地检测农药。借助酶的催化作用和金属离子的荧光猝灭效应也可以检测农药。Hou等[17]首次构建基于CDs-Cu2+复合物的荧光传感器用于检测敌敌畏，CDs的荧光会被Cu2+猝灭，而将AchE引入体系后会产生硫代胆碱（TCh），由于TCh与Cu2+之间的特异性反应使荧光恢复，加入敌敌畏后，CDs的荧光再次被猝灭。此外，纳米颗粒如AgNPs、AuNPs、量子点也通过荧光共振能量转移（FRET）或内滤（IFE）效应作为对CDs荧光猝灭剂，纳米离子对荧光CDs的猝灭效应已对多种农药，如乐果、毒死蜱和对硫磷进行定量分析。

3.3 食品中的添加剂

食品添加剂因能提高食品口味、保质期等被广泛用于食品加工中，但其滥用已成为一个潜在的事实，因此开发快速、灵敏的检测方法至关重要。在这些策略中，基于CDs的荧光传感器引起关注。Yang等[18]建立一种基于碳量子点荧光猝灭检测日落黄的方法，因为CDs表面含有大量氨基，日落黄含有酚羟基，因此它可通过氢键连接到CDs表面，并猝灭CDs荧光，将该方法用于饮用水中日落黄检测，可得到满意的回收率。Lei等[19]和Dai等[20]建立一种基于碳量子点荧光恢复的三聚氰胺测定方法，Hg2+或AuNP纳米粒子加入使CDs荧光猝灭，在体系中加入三聚氰胺溶液，CDs荧光恢复，且荧光恢复程度随三聚氰胺浓度增加而加强。Su等[21]采用水热法合成CDs，该CDs可灵敏检测冷冻粉、冷冻酱和番茄酱样品中的苏丹I，同时苏丹I对CDs荧光的猝灭效应归因于能量转移。基于荧光信号的变化，多种CDs被用于检测不同添加剂，同时在实际样品中显示出良好回收率。

3.4 抗生素

近年来，养殖业滥用抗生素导致食品中的高残留量从而严重威胁到人类健康。大量研究基于CDs荧光猝灭、恢复或增强的分析方法检测抗生素。四环素（TC）是一种常见的抗生素，能有效地抑制细菌的感染，Yang等[22]发现基于IFE效应，TC可以快速有效地猝灭CDs荧光，从而实现对TC的灵敏测定，检出限为9 nmol/L。Feng等[23]合成一种对TC敏感的CDs，利用CDs与TC之间的相互作用使其荧光猝灭。将该方法用于鱼类和人尿中TC的检测均得到良好回收率。除了TC及其衍生物外，头孢菌素、环丙沙星、诺氟沙星也可根据CDs的荧光猝灭或增强进行检测。虽然基于CDs荧光猝灭/增强的检测原理简单，但在某些情况下对其他抗生素的选择性有限。

此外，Fu等[24]利用CDs-Fe3+体系对氨苄青霉素进行高灵敏检测，因为氨苄青霉素与Fe3+能在水溶液中形成复合物，随着氨苄青霉素浓度增加，CDs-Fe3+体系荧光逐渐恢复，该方法已应用于河水中氨苄青霉素检测。类似方法对其他抗生素，如土霉素、多西环素、灭滴灵、链霉素、红霉素也显示出高选择性，表明该方法对具有金属螯合能力的抗生素检测存在优势。

4 结语和展望

对CDs性质、合成方法及在食品安全检测中的应用进展进行综述，介绍CDs荧光探针在食品安全检测中的应用潜力。对CDs的研究应用仍处于初步探索阶段，其结构组成、发光机理尚不十分明确。在合成制备方面，原材料来源广泛且方法灵活简便，但合成CDs的QY并不高，这也是CDs应用受到限制的重要原因，因此通过寻找合适廉价的原材料，优化合成及修饰方法，合成产率高、性能更优越的CDs是使其大规模应用的关键。在食品安全检测应用方面，基于CDs构建的荧光探针由于具有响应速度快、价格经济、无需昂贵复杂的仪器设备的特点，在该领域具有较大应用潜力。多种官能团的合理引入提高CDs传感器在食品安全检测中的选择性，但由于食品样品中具有各种复杂的化学和生物成分，排除其他复杂样品的干扰去检测特定目标物仍是一个挑战，因此发展一种对特定目标物的识别具有较高亲和力和选择性的CDs荧光探针至关重要。在解决这些问题之后，CDs具有广泛应用前景，特别是在食品质量和安全检测方面。