PTCACPART B: CHEM. ANAL.)
|综达
DOI ： 10.11973/lhjy-hx202105009碳点在食品安全检测中的应用 邓晨，周化岚梁营芳，王锋，张建国
(上海理工大学医疗器械与食品学院.上海200093)
摘要：综述了碳点（C D s)的荧光性质（包括荧光产生机理、激发光/酸度依赖性、化学稳定性、抗光漂白性和上转换焚光）、合成方法（水热合成法、溶剂热法、超声波振荡法和微波消解法），重点 讨论了其在食品安全检测中的应用，包括对重金属离子、合法和违禁食品添加剂、农药和兽药残留、食品中营养成分和病原体的检测，并对C D s发展趋势进行了展望（引用文献86篇）。 关键词：碳点；荧光性质；合成方法；食品安全检测；综述
中图分类号：065 文献标志码： A 文章编号：1001-4020(2021)05-0427-09
碳点（C D s)是一类零维荧光准球形纳米颗粒，其尺寸小于10 nm[1]，由X U等[2]于2004年发现。他
家用智能豆腐机们通过电弧放电的方法合成单壁碳纳米管(SW CNTs)，然后对其悬浮液进行分离纯化时，发 现了一种新型荧光纳米材料可以在波长365 r u n的 紫外光下发出不同颜的荧光，进而C D s的特性、合成方法和应用得到了广泛的研究[3]。荧光CDs 的关键特性包括激发光/酸度依赖性、化学稳定性、抗光漂白性以及上转换荧光[3]。与半导体量子点相比，C D s的低毒性和高生物相容性，使其在生物成像和化学生物传感等方面成为半导体量子点的有力竞争者[<]。C D s荧光分析法具有高灵敏度、易操作、低 成本和结果输出快速等显著优势，因此，其在食品安全领域具有巨大的应用潜力[5]。本工作重点介绍C D s的荧光性质、合成方法及其在食品分析中的应用，包括其在重金属离子、病原体、农药和兽药残留、食品添加剂、食品中营养成分等方面检测中的最新进展。此外，还讨论了C D s在基础研究和应用方面目前面临的挑战和未来的展望。
1 C D s的荧光性质
1.1荧光产生机理
荧光发射是C D s的重要光学特性，但是其荧光的产生机理仍然存有争议。目前已经报道了几种机理，包括量子尺寸效应[67]、表面缺陷状态[89]、分子 *
收稿日期：2020-07-17
作者简介：邓晨，硕士，主要从事在食品安全检测方面的应用 研究工作
* 通信联系人。*************** 和类分子状态[1°12]等。量子尺寸效应是指尺寸对电子-空穴对的辐射复合的影响.而表面缺陷状态是指通过氧化形成的表面缺陷[13〜]。最近，分子和类分子状态被证明是C D s荧光的来源，特别是柠檬酸衍生的CDS[12]。许多荧光性质，包括激发光依赖性和酸度依赖性，都可以用这些机制来解释。
1.2激发光/酸度依赖性
C D s的激发光依赖性可能是由于C D s表面的量子效应和/或不同的表面缺陷引起的[IS]。Z H E N G等[16]认为与激发光有关的性质可能与芳香族C=C及C—O H和C=()等基团的表面缺陷有关。使用柠檬酸铵和乙二胺作为前体合成的CDs 具有激发光依赖性。L I等[夂推断C D s的表面缺陷和较窄的尺寸分布可能与其激发光相关的特性有关。还有一些报道中C D s显示出与激发光无关的发射，这可能归因于其均匀的尺寸和表面状态。C D s的荧光性质也受酸度的影响[2°]，可能是C D s表面官能团的质子化和去质子化作用的结果Ul23]。近年来，荧光p H纳米传感器已被广泛地制备[2425]，且酸度在pH 3.5〜10.0内与荧光强度呈良好的线性关系:22]。C D s激发光/酸度依赖性不仅在多成像和p H感测中起关键作用.而且还有助于其潜在的荧光机制发挥作用[26]。
1.3化学稳定性和抗光漂白性
在荧光检测应用中，稳定的荧光信号和较长的发射寿命是荧光传感/成像的必要条件。一般而言，C D
s可以在水和高盐度溶液中保存较长时间并且维持稳定。在一些研究中，C D s的荧光强度在6个 月甚至1年[2«内基本没有变化。1」1_]等[29]制备
•427
.
的 CDs 在 4 mol • L 1 NaCl 溶液和 400 pmol . L 1 H 2()2溶液中都很稳定，很好地说明了 C D s 的抗氧
实时视频
化性。此外，C D s 适用的酸度范围较宽，为PH 3〜 12
与C D s 的化学稳定性相比，其抗光漂白性更
为重要，因为许多测定需要长时间的观察。幸运的 是，C DS 通常表现出极好的抗光漂白性。例如，不同
C :
D s 在U V 照射12 ^
]和24 11[32]后，荧光强度仅
略有下降。1.4上转换荧光
上转换荧光是一种发射波长小于激发波长的反 斯托克斯发光现象％。大多数报道的C D s 和生物 组织在紫外光的激发下通常会发出蓝荧光，这显 然妨碍了对生物体进行荧光分析的准确度[34]。上 转换荧光特性为避免含有蛋白质或氨基酸的生物或 食品基质的自发荧光提供了解决方法。此外，合成 具有上转换荧光发射的C D s 非常简单，不需要对传 统镧系元素掺杂的上转换荧光纳米粒子进行复杂的 修饰。
2 C D s 的合成
C D s 的合成方法大致可分为两类3 :①自上
而下合成法；②自下而上合成法。自上而下合成法 主要是通过化学、电化学或物理方法将碳前体分解 为纳米级材料的方法，例如电弧放电法、激光烧蚀 法、电化学氧化法等。自下而上合成法通常使用小 分子作为反应前体，再通过化学合成的方法合成
C D s .包括水热合成法、溶剂热法、超声波振荡法和
微波消解法。相比于自上而下合成法，自下而上合 成法条件更容易控制且碳源丰富，合成的C D s 通常 具有较高的荧光量子产率（Q Y )，应用更为广泛。基 于此，下面将主要介绍几种自下而上合成法。2.1水热合成法
在各种化学方法中，水热合成法是一种极有前 途的技术.通常是指在高压和最佳温度条件下，在水 性溶剂或矿化剂的存在下，发生非均相化学反应，以 溶解和重结晶在常规条件下合成相对不可溶的材料 的方法:36]。此法合成的纳米粒子具有形状、大小、 表面改性和稳定性可控的性质。由于其众多优点， 水热合成技术已被许多研究小组广泛用于合成
C D s 。丫八1^等[37]用己二酸（碳源）和柠檬酸三铵
(表面钝化剂）进行一锅水热处理，合成了水溶性光 致发光C D s 。Z H A N G 等[38]用/^抗坏血酸作
为碳 源，并对其进行水热处理，一步合成了高稳定、单分
瞄-识宝只明__________________________________邓晨.等：碳点在食品安全检测中的应用
散的荧光C D s 。该方法简便易行，可用于大规模工 业生产中C D s 的合成和分离。2.2 溶剂热法
溶剂热法是一种通过在有机溶剂中加热有机分 子来制备C D s 的简单方法。遵循“自下而上”的原 则，通过前驱体的聚合和碳化很容易合成CD S:391(1。 实际上，许多有机分子都可通过溶剂热处理来制备
C I )s :n <。例如，W U 等通过维生素C 和乙二醇
的溶剂热处理合成了 C D S ；同时他们还利用四氯化 碳（C C 1.,)和N aN H 2成功地合成了 CDs :1:。该方法 操作简单，但其应用会受到有机溶剂的毒性和较高 反应温度的限制。2.3超声波振荡法
2011年，L I 等[16]在酸性或碱性环境下对葡萄 糖进行超声波处理，成功获得了直径小于5 nm 、Q Y 为7%的光致发光C D s 。这种利用超声波的高能， 在酸、碱或氧化剂的存在下将碳材料裂解成纳米粒 子（N Ps )的方法，被认为是合成C D s 的新途径。此 合成过程利用高能超声波，避免了复杂的后处理工 艺，实现了小尺寸C D s 的简便合成。然而，此法需 要对反应时间和Q Y 进行优化。2.4微波消解法
在合成C D s 的方法中，微波消解法以快速、高 效、方便等优点得到了广泛的应用。早在2009年，
Z H U 等w 采用微波消解法在极短的反应时间内就
在具有优异光物理性质的碳水化合物中提取了
气模C D s 。L I U 等[4Q 通过微波消解法，用甘油和4，7，10-
三氧-1,13-十三烷二胺作为表面钝化剂合成了光致 发光C D s ，他们认为是由于在C D s 表面上引人了氨 基（N H 2)，使 Q Y 达到了 12%。在 2017 年，C 'H ()1 等#利用微波诱导的热聚酰胺化和碳化作用，将赖 氨酸（A B 2型聚酰胺化单体，A :—C ()()H ，B : — N H 2)热解，得到Q Y 为23.3%的水溶性C D s ，合 成可在5 m in 内完成。该研究表明，前体中的支化 点是获得高Q Y 的C D s 的关键因素，为快速制备具 有优异性能的C D s 提供了新的方向。
3
C D s 在食品检测中的应用
目前已有多种先进技术用于食品安全检测，例
如气相谱法（G C )、高效液相谱法（H n .C )、气 相谱-质谱法（G C -M S )、液相谱-质谱法（L C -
M S )和酶联免疫吸附测定法（E L IS A )>53]。这些方
法大多数都具有如样品前处理复杂、检测时间长等
• 428 •
邓晨.等：碳点在食品安全检测中的应用
缺点，特别是要依赖昂贵的仪器和专业人员，这限制 了它们在发展中国家，以及设施和专家条件较差的地区的应用。绿合成的C D s荧光强度高、稳定性和抗光漂白性良好，在荧光传感分析中具有显著优势。利用不同的碳源，结合不同的合成方法，可以控 制合成不同性质的C D s。C D s作为一种荧光传感探针，在食品分析检测中有着非常广阔的应用前景。下面将简述C D s在重金属离子、食品添加剂、农药和兽药残留、食品中营养物质、病原体等方面的检测应用，旨在为C D s在食品分析领域的进一步研究提供参考。
3.1重金属离子检测
支撑梁
一些常见的金属离子如A P、Hg2、C f、Fe34等是不可生物降解的，它们通过食物链在人体内积累.会引起各种健康问题。因此，金属离子检测是食品安全监测中必不可少的一环，尤其是有毒重金属离子检测。C D s与金属离子相互作用会导致荧光猝灭，因此常被制作为传感器用于快速、灵敏地检 测金
属离子。
Y A N G等5，在100。。且存在H」C)，的条件下将蜂蜜在水中加热2 h合成了C D s，红外光谱显示其表面存在（）一H、N—H、C=N、C=0、C=C 和 C一 0等基团。荧光的最大激发和发射波长被确定为338,420 nm，它们的荧光强度依赖于酸度。合成 的C D s在Fe3+存在下会发生聚集，荧光强度下降。该传感器用于检测Fe3+，检出限为1.7 nmol •L1。体系中其他共存离子，包括Hg2+、Fe2'、Pb2'、Ag*.、Ca2+、Co2+、Mn2+、Sr2+、Zn2+、K.、N a.、Cu2+ ，对于Fe3•的检测无干扰。Z H U等W通过热碳化海带汁的水合成了聚乙烯亚胺（P E I)修饰的C D s，并将其用于酸奶样品中Cu2—的双信号荧光检测。
热水回收Hg>对于羧基有很强的亲和力。基于此，H()U等[36]提出了一种简单且经济的方法，通过柠檬酸钠和尿素的电化学碳化制备了具有良好水溶性的功能化荧光C D s。将Q Y为11.9%、平均尺寸为2.4 n m的C D s作为无标签传感探针选择性检测1^2%检出限低至3.3 11111〇1*1.|。此外，〔'1〕8易于功能化的表面促进了具有特定功能的荧光传感器件的研究和开发，扩展了其在检测领域的实际应用。在痕量重金属离子分析中，基于C D s的传感探针由于其高精度和可靠性逐渐成为有价值的传感器件。3.2 食品添加剂检测
在食品工业中，食品添加剂对保证食品的香味、提高食品质M起着重要的作用。然而.合法添加剂（
包括着剂、混凝剂、防腐剂等）的过度使用以及违禁添加剂（包括苏丹红I、三聚氰胺、瘦肉精等）的 添加，造成了新的食品安全问题，对人类健康构成严重威胁。
3.2.1 合法添加剂
U N等；以甘油为碳源，PEG 1500为钝化剂，微波辅助合成丝氨酸修饰的C D s。在亚硝酸盐和酸化的溶液存在下建立了一种亚硝酸盐的定M 检测方法。在 1.0X10 —7〜1.0X10 'm o l.L1 内，荧光强度随亚硝酸盐浓度增加呈线性增加。在此基 础上，该方法成功应W于纯牛奶中亚硝酸盐的检测。Y U A N等_采用N-/J-羟基乙基乙二胺三乙酸(H E D T A)为碳源合成C D s。合成的C D s能发出强烈的蓝荧光，而食用素日落黄能通过荧光共振能量转移选择性猝灭该蓝荧光，由此开发了一种基于L'DS的纳米传感器用于检测日落黄，线性范围为 0.3〜8.0 /nmol •L1，检出限为 79.6 nmol .L1。X U等利用新鲜芦荟作为前体合成C D s，发现柠檬黄可以通过静态猝灭过程有效地猝灭C D s的荧 光。利用这种猝灭现象，研制了检测柠檬黄的荧光探针，线性范围为0.25〜32.5 /imol •L1，检出限为 73 nmol该探针可用于馒头、蜂蜜、糖果等食品样品中痕量柠檬黄的检测。
3.2.2 违禁添加剂
三聚氰胺是氰胺的三聚体，常用于阻燃产品、纺 织工业和杀虫剂的生产。由于其成本低、含氮量高，三聚氰胺常被非法掺人牛奶、婴儿配方奶粉和宠物食品中。摄人超过安全限值的三聚m胺（美国和欧
盟的婴儿配方奶粉限值为2.5 mg •k g、中国为1.0 m g.kg M会导致婴儿肾衰竭甚至死亡。HU 等-6。设计了一种A u@C D s纳米复合材料，可以与智能手机相结合，直观地分析牛奶中的=聚氰胺。该检测方法的检出限较低，为3.6 nmol •L1，线性 范围为1〜10 mol•L—1，回收率为102.75%〜 105.64%。在这种检测系统中，荧光光谱与便携设备的结合，实现了快速、简单、直观的检测，为智能检测 的发展提供了新的方向。
苏丹红I是一种致癌物，由于其诱人的红和低成本而被广泛用作食品添加剂，允其是在辣椒粉中。S U等1以香烟过滤嘴为碳源.通过简单、低成
•429 •
本、绿的水热合成法成功地合成了 Q Y 为14%的 C D s 。H U 等&以再利用废橡胶轮胎作为低成本碳
源合成高价值的荧光C D s ，在水热条件下，利用过硫 酸铵氧化轮胎并提供氮原子供掺杂，得到Q Y 高达 23.8%的C D s 。他们都是利用苏丹红I 猝灭C D s 荧 光的原理实现对苏丹红I 的快速、灵敏检测。
Y A N G 等[63：为了实现对番茄酱中的苏丹红I 的检
测，成功制备了硫掺杂的C D s ，且在pH 5.0以内具 有良好的稳定性。该传感器检测苏丹红I 的线性范 围为40 (nmol . L 1以内，检出限为0.12 ymol •
I ^'o
3.3农药和兽药残留检测
食物中残留的农药和兽药，包括在食物中积累 的药物原型及其代谢物.都对人类健康有潜在的危
害。对这些残留物的有效分析是食品安全研究 中的一个重要课题。新兴的C D s 材料可以提供更 准确、高效、经济的荧光传感材料，近年来，其在食品 中农药和兽药残留检测方面取得了很大进展。
具有特异识别功能的分子印迹聚合物（M IPs ) 常用于复杂基质的纯化和食品中农药、兽药微量靶 分子的富集分离。新兴的嵌人C D s 的M IP s 为检测 食品中的小分子有害物质提供了非常有意义的思 路。Z H A N G 等〔65设计了一种含有M IP s 的室温离 子液体（R T IL )敏化的C D s 传感探针（R T IL -SCDs -
M IP S)，用于检测蔬菜和茶叶样品中的杀虫剂氯氟
菊酯，检出限为0.5y g .k g 、（^八、0等[66：利用 碳基纳米颗粒作为传感受体开发了一种用于检测
对 氧磷的单镜头光学生物传感器，结果发现:C D s 的强 黄荧光猝灭程度与对氧磷的浓度有关；检出限为 (0.22±0.02)jLtmol • L _I。FU 等〔67]构建了一种基 于C D s 和Fe 3+的复合荧光传感器，该传感器对矿泉 水、牛奶和猪肉样品中的氨苄西林有良好的响应，检 出限为0.7M m o l.L 、此研究的优点是C D s 表面 官能团还可为Fe 3 '提供结合位点，为该传感器在多 个目标物的检测中的应用提供了更可行且有前景的 方法。与基于核壳聚吡咯-CdTeQIXs -M IP 的纳米 光学传感器[s 8]相比，基于CDs /Fe 31的传感器不需 要复杂的合成过程和较长的反应时间。重要的是， 使用C D s 可减少基于重金属的Q D s 在实际应用中 的潜在毒性。
随着荧光免疫传感器的发展，C D s 有望成为一 种替代性的绿荧光试剂[69]，它的出现为实现经 济、方便的免疫分析提供了新的思路。M IA ()等
瞄-识宝只
m _________________________________
邓晨.等：碳点在食品安全检测中的应用
报道了带有蓝荧光的C D s 的合成及其作为传感 探针在3种四环素类抗生素视觉识别和定量检测中 的应用。在这项研究中，四环素（T C )、土霉素 (O T C )和氯四环素（C T C )的检出限分别为5.18,6.
06,14.00 nmol • L —1，均低于之前报道[71]中的结 果。基于C D s 的检测条带上3种四环素类抗生素 靶标的荧光信号差异明显，可直观区分，因此可以同 时灵敏地检测一个样品中的多个目标物。3.4营养成分检测
食品中营养成分可以为人体提供足够的能量和 营养，如蛋白质、脂肪、碳水化合物、维生素和矿物质 等，都是正常生命活动所必需的。因此，检测食品中 的营养成分是非常必要的。在食品分析领域，CDs 已作为传感探针用于检测和分析食物的功能成分， 如蛋白质、维生素、酚类化合物等，这是因为其不仅 具有良好的光学性质，还具有显著的环保优势、价格 低、方便和快速等特点。
谷胱甘肽（G S H )作为氧化还原缓冲液，可以维 持生物体内的细胞氧化还原平衡，广泛存在于动物、 植物和微生物中[72]。乂1；等0]通过“开启”策略开 发了一种荧光探针，用于检测食品中的G S H 。他们 将柠檬酸钠与尿素混合.水热合成法制备C D s ，并通 过H g 2+电子转移对C D s 的荧光进行猝灭。在
G S H 存在下，荧光传感器切换到“开”状态，这是由
于G S H 与C D s 的官能团竞争性结合Hg 2+所致。 该荧光传感器成功地应用于各种食品样品中GSH 的测定，回收率高，检出限为37 nmol . L 1。此外， 还有报道用毒性较低的Cu 2—替代Hg 2+，从而实现 对食品中G S H 的高效检测>]。
卵清蛋白（O V A )含量被作为评价蛋白质质量 的参考。F U 等[75]通过一步水热合成法合成了一种 新型的N 、（）、P 共掺杂C D s (N ()P -C D s )，并应用于 鸡蛋制品中O V A 的定量检测。在由N ()P -C D s 、氧 化石墨烯和O V A 抗体组成的荧光共振能量转移系 统中，“开-关”传感探针基于抗原-抗体的特异性相 互作用，实现了对O V A 的选择性识别和捕获，检出 限为153 M g • L —1。P U R B I A 等™开发了绿和 蓝荧光的高发光效率C D s (尺寸：1〜6 nm )，用于 检测维生素，检出限为280 nmol . L ^1。该荧光 传感器的原理是C D s 的荧光可以被Cu 24猝灭，在 加人硫胺素后由于形成可溶性的铜-硫胺素络合物 而重新恢复，从而实现对目标成分的快速检测。
植物源性食品中的某些小分子物质具有特殊的
• 430 •
抗菌、消炎或抗氧化特性，从而使食品具有特殊的药用特性。这些小分子被定义为“功能成分”，这种食
品被称为“药食同源食品”[7〃8]。对药食同源食品
中功能成分的定性或定量分析是评价其质量的主要方法。荧光C D s为这类功效成分的分析检测提供了一种有效、方便、准确的方法。Y A N G等[79：通过 苹果酸和尿素水热处理合成了水溶性CD s(直径
为2.1 nm，Q Y为16.5%)，用于金银花中绿原酸的荧光检测。当绿原酸浓度在0.15〜60 mol •I，1内增 加时，C D s的荧光可被有效猝灭，检出限为45 nmol .L—\与使用H P L C和H P LC-串联质谱法（MS/M S)检测绿原酸的结果进行比较[8M1]，所开 发的基于C D s的检测方法不仅灵敏度有提升，而且 检测速率明显提高，适用于大量金银花样品的快速筛选。
3.5 病原体检测
近年来，由食源性疾病引起的食品安全事故在世界各地屡屡发生。常见的食源性病原体有沙门氏菌、大肠杆菌、副溶血性弧菌等，是引起食源性疾病的主要原因[8283]。
W E N G等[84]使用一步加热法以固体柠檬酸铵和甘露糖（Man)合成了M an修饰的突光CD s(Man-CD s)，并将其成功地应用于大肠杆菌的标记。甘露 糖与大肠杆菌凝集素的选择性结合使Man-C D s与 大肠杆菌特异性结合，实现了对实际样本（自来水、苹果汁）中低浓度水平（103 C F U/m L)的大肠杆菌的定量检测。需要注意的是，病原体的适当配体是构建用于检测食源性病原体的基于C D s探针的关键组件之一。有效的配体应能够与C D s紧密结合，同时确保与靶标结合时C D s的化学和光学性质的稳定性。阿米卡星是一种众所周知的氨基糖苷类抗生素，可用作大肠杆菌的结合配体。C H A N D R A 等[85：报道了一步法合成阿米卡星修饰的CD s(CDs-阿米卡星）用于大肠杆菌的测定。该方法的线性范围为 7.625 X 102〜3.904 X 105C F U/m L，检出限为522 C F U/m L。此外，它已成功应用于各种
果汁样品（苹果汁、菠萝汁和橙汁）中的大肠杆菌检测。W A N G等_构建了 CDs-适配体络合物（CDs-apt)，用于蛋壳溶液和自来水中鼠伤寒沙门氏菌的定量检测，且不受大肠杆菌0157:H7和金黄葡萄球菌的干扰，检测范围为1.0X103〜1.0X105C F U/m L，检出限为50 C F U/m L。
邓晨.等：碳点在食品安全检测中的应用
4结论与展望
C D s作为一种新型的碳基纳米材料，具有优良
电子蜂毒采集器的荧光性、良好的生物相容性、低毒性和较低的制造
成本等特点，引起了越来越多研究人员的兴趣，并成
为研究热点。相关文献已从合成、功能化到应用等
方面对C D s进行了深人研究，并取得了一定的进展。然而，C D s的发展及其应用，特别是在食品分析
方面，仍处于初步研究阶段，有以下问题有待解决：①虽然目前C D s的类型趋于多样化，但与半导体量
子点相比，各C D s的荧光Q Y仍较低，其发光或荧
光机理的解释仍需深入研究；②食物基质的复杂性
在一定程度上限制了基于C D s的检测的特异性和
敏感性；现有的方法大多是针对单一目标物的，对于 同一样本中同时检测多个目标物的研究较少。因
此，通过选择合适的碳源和优化合成工艺，若能提高
C D s的Q Y、化学稳定性和再现性，将为C D s的产业 化做出巨大贡献。此外，掺杂或表面功能化C D s结 合免疫分析、电化学传感器、M IP s等方法，将进一
步拓宽应用范围，提高方法的灵敏度、准确度和特异性。随着免疫分析方法和传感器技术在食品安全领
域的不断发展和应用，C D s与免疫分析方法和传感
器技术的结合有望为食品安全监管提供一个有前景
的平台。
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