荧光碳点探针在食品添加剂检测中的应用

龚诗芸，陈梓萱，胡钦

摘 要：食物添加剂在食品行业中被用来改善食物的品质和色香味，但过量使用会对人体健康造成负面影响。因此，开发一种简单、快速、选择性好、准确性高的方法来检测食品添加剂的含量对保障消费者健康具有重要意义。近年来，荧光碳量子点（Carbon Dots，CDs）探针以制备简单、成本低、生物相容性好、灵敏度高等优势在食品添加剂检测领域占据了一席之地。本文阐述了CDs的制备方式、发光原理及其作为探针在食物添加剂等领域的重要作用，并对该研究领域的前景进行展望。

关键词：碳点；荧光；食品；食品添加剂

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《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》（GB 2760—2014），食物添加剂可以界定为“为改善食品品质和色香味，并且为防腐蚀、恒温和工艺的要求而加入食品中的人工方法制备或天然物质”。产品类别主要为防腐保鲜类、结构改良类、风味改良类、色泽改善类、营养强化剂以及其他食品添加剂[1]。但是，因为这些食物添加剂属于人工合成物质，这些化学物质对身体都存在不同程度的影响[2]。如果不能对食物添加剂的使用加以控制，人们的健康将会遭受危害。其中，CDs探针在食品添加剂检测方面的应用广泛。基于此，本文介绍了食品添加剂的危害，着重阐述了CDs的制备方式、发光原理及其作为探针在食物添加剂等领域的重要作用，并对该研究领域的前景进行展望。

1 食品添加剂的危害及检测意义

在食品添加剂使用规范中，各种食物添加剂均有使用范围和数量的限制，生产者必须严格依照要求进行使用。但是，在实际生产中，存在部分生产企业为了追求色香味俱全而随意添加食品添加剂，违反了国家相关规定，为人们的生命健康带来威胁，因此，采用合理的检测方法加强对食品添加剂的检测至关重要。目前，我国的相关检测技术已经发展得较为完善，但由于食品中添加剂的成分较为复杂，因此，需要将多种检测技术结合起来使用，从而确保食品添加剂检测结果的准确性。同时要认识到食品添加剂的检测与食品安全关系密切，过量的食品添加剂会对人体产生不良影响，因此为了确保食品市场的稳定、有序、健康发展，需要在食品进入市场之前对其进行添加剂检测，确保食品安全，维护消费者健康。

2 食品添加剂常用检测技术及特点

随着相关领域科学技术的发展，在过去几十年，不同检测技术如紫外-可见分光光度法、高效液相色谱法（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）、质谱法（Mass Spectrometry，MS）、化学发光法、毛细管电泳法、电化学方法等都能有效地检测出食品添加剂的种类及其含量，极大地提高了食品的安全性。然而，该类方法也有其不足之处，即需要昂贵的试剂、样品处理方法复杂、检测试剂对环境不友好等。因此，探索一种简单、经济、快速、选择性好、灵敏度和准确度高的新方法日益迫切。近年来，由于荧光碳量子点（Carbon Dots，CDs）具备来源广泛、成本低、粒径小、水溶性好、化学惰性高、易功能化、抗光漂白性好、无光闪烁、毒性小和与生物相容性好等优点，存在替代传统的荧光染料的金属量子点的可能性，也为食品添加剂检测提供了新的发展前景[3]。

3 CDs简介

CDs是一种新型的荧光碳纳米材料。在2004年，XU等[4]在单壁碳纳米管的分离纯化过程中首次发现了CDs。自此，关于CDs的合成制备方式、荧光特征及其有关应用等方面的研究进展迅速。CDs也因为具备荧光强度高、抗光漂白、光稳定性好和对生物相容性好等诸多优点，近年来引起了人们的重视，在生物技术成像、光电催化和食品研究等方面获得广泛应用[5]。

目前，制备碳点的技术主要分为两大类：①“自上而下”的技术，包括电化学法、激光烧蚀法、电弧放电法、化工剥离法等；②“自下而上”的方式，包括水热法、溶剂热法、燃烧法、微波辅助法等。其中，水热法、燃烧法和微波辅助法是CDs制备的常用方法[3]。

CDs的独特结构使其拥有众多的优良特性，其中表现最突出的是其光学性质。主要有紫外可见光吸收、光致发光、上转换荧光和荧光稳定等[6]。CDs的发光机制目前还缺乏具体的理论，由于CDs的内核是一种以sp?杂化碳原子所组成的碳纳米颗粒，表面上有一个独特的功能基团，所以关于CDs的发光机制目前主要有两种说法，即发光来源取决于其核态与表面态。

4 CDs探针在食品添加剂检测方面的应用

4.1 检测亚铁氰化物

亚铁氰化物（FeCNs），包括亚铁氰化钠（Na4[Fe（CN）6]）、亚铁氰化钾（K4[Fe（CN）6]）和亚铁氰化钙（Ca2[Fe（CN）6]），一般在食盐中作为抗结块添加剂使用，以保持盐类的松散及流动性。FeCNs的氰化物基团与铁原子之间的化学键很强，且自身的毒性很低。但是，FeCNs在高温下会分解生成有放射性的氰化物，在碱性/强酸环境下才能转变成氰化钠/强效氢氰酸危害人体健康。据研究，长时间低剂量服用FeCNs可以引起神经损伤、帕金森症、精神紊乱和精神衰竭；高剂量服用FeCNs可以引起呼吸急促、昏迷、意识完全丧失，或者导致死亡。因此，开发一种快速、便捷、准确的分析方法来检测食品中的FeCNs至关重要。据研究，利用葡萄糖、EDA和HCl通过酸碱中和自放热反应法成功制得氮氯双掺杂碳点（N，Cl-CDs），在紫外灯照射下呈亮蓝色荧光，加入K4[Fe（CN）6]后其荧光被明显猝灭。这是首次利用CDs探针对FeCNs进行快速检测，证明此工作为FeCNs的快速检测提供了一种新的可能[7]。

4.2 检测抗坏血酸

抗坏血酸（Assorbic Acid，AA），又称维生素C，是蔬菜和水果提供的营养物质中的一类重要的水溶性维生素，可以治疗坏血病。同时抗坏血酸为人体所必需的微量营养物质，影响人体的生长、代谢和发育，可以起到预防癌症，心血管疾病等与自由基有关疾病。缺乏抗坏血酸会导致许多疾病，且由于人体自生不能合成抗坏血酸，只能从外界食物或药物中获取，因此对于食物中抗坏血酸含量进行检测是有必要的[8]。LUO等[9]开发了一种氮硫共掺杂碳点（N，S-CDs）作为“关-开”荧光传感器，即通过Fe3+（关闭）对N，S-CDs的荧光猝灭，再与抗坏血酸（Ascorbic Acid，AA）反应，使其荧光恢复（开启）。该反应的检测机理为N，S-CDs表面带有的-NH2结合Fe3+导致荧光猝灭，AA还原Fe3+导致配位配合物中-NH2释放使得荧光部分恢复。其所形成的抗坏血酸传感器具备高度的选择性和稳定性，该CDs探针可成功用于测定水果中的抗坏血酸水平浓度。

4.3 检测非法添加色素

国内外因添加非法添加剂而造成人体损伤，或造成重大社会影响的各案例不断提示人们食品安全的重要性，不论是国内三聚氰胺事件还是瘦肉精事件等，都突出强调了使用非法添加剂的巨大危害。例如，苏丹I有着高度致癌的特征，不过在经济利益的驱动下，违规加入苏丹I的情况依然存在。利用水热合法原理将废旧香烟滤嘴作为碳源制备有较好稳定性的CDs，或者采用荧光共振能量转移原理就可检出在辣椒粉、辣椒酱和番茄酱中的苏丹I。试验结果显示，该方法最大荧光探针的检出线性范围为2.40～104.00 μmol·L-1（R2=0.991），最大检限区间为0.95 μmol·L-1。在Cu2+、山梨酸钾、维生素C等的干扰下，该方法仍然对苏丹I有较好的效果选择性[10]。

4.4 检测可食用合成色素

胭脂红、柠檬黄、苋菜红都是较为普遍的作为食品添加剂的食用色素，不过一些商家为让食物色泽更好看，会过度加入这类色素，因此如果经常食用带有过量色素的食品会对身体健康不利。例如，食用含过多柠檬黄的食物可能导致腹泻和过敏，更严重的还会损害肝和肾功能；食用含有过量胭脂红的食品则有可能引发肿瘤。基于CDs的荧光分析法在检测食品色素中有着广泛的应用。例如，从柠檬皮中提取碳元素所制成的CDs可用于测定饮料中的胭脂红，测定范围是0.20～30.00 mg·L-1。但是，由抗干扰实验结果可知，柠檬酸、蔗糖、维生素C等物质对于该检测方法是一种潜在的干扰因素，会影响到胭脂红检测结果的准确性[11-12]。

5 结语

CDs具有良好的生物相容性、可忽略的细胞毒性、优异的光稳定性和良好的水溶性等特性且可实际应用于食品添加剂的快速检测。然而，CDs仍然存在一些缺点（如粒径分布不均、选择性不好、量子产率较低等）。目前，非金属原子掺杂和表面修饰能提升其量子产率和粒径均匀程度，可有效调节CDs表面特征和化学性质。硼、氮、磷和硫是CDs中最常见的掺杂原子，因为它们的原子半径与碳相似，并且掺杂后可极大地提高CDs的荧光量子产率、水溶性和选择性等特性。因此，在未来的研究中，可以进一步考虑拓展CDs的合成路线，提升CDs对食品添加剂检测的灵敏度。

参考文献

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