錢敏捷，胡 欽

(揚(yáng)州大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225001)

摘 要：碳點(diǎn)是近幾年興起的一種熒光碳納米材料。碳點(diǎn)所呈現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)包括毒性低、成本低、操作簡(jiǎn)單、靈敏度高和生物相容性好等方面，因此在改進(jìn)生物傳感器、醫(yī)學(xué)成像設(shè)備、食品藥品分析檢測(cè)方法上具有很大的的應(yīng)用前景。本文概述了碳點(diǎn)的熒光性質(zhì)，常見的合成方法以及在食品安全檢測(cè)方面的主要應(yīng)用，并對(duì)碳點(diǎn)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：碳點(diǎn);熒光;食品檢測(cè);應(yīng)用

碳點(diǎn)(CDs)在2004年被XU等[1]首次發(fā)現(xiàn)，他們?cè)诓捎秒娪炯兓ǚ蛛x分析單壁碳納米管懸浮液的過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)了帶有熒光性質(zhì)的碳納米顆粒;在2006年，SUN等[2]用激光刻蝕的方法獲得了熒光碳納米顆粒，并將這類帶有熒光性質(zhì)的碳納米顆粒命名為碳點(diǎn)。

民以食為天，隨著科技的不斷進(jìn)步發(fā)展，食品的種類越來(lái)越多樣化，與此同時(shí)，新的食品安全問(wèn)題[3]不斷涌現(xiàn)，碳點(diǎn)與表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)[4]和高效液相色譜(HPLC)[5]等常用的食品檢測(cè)方法相較而言具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此碳點(diǎn)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用受到了許多科研人員的關(guān)注。

1 碳點(diǎn)的熒光性質(zhì)

1.1 發(fā)光機(jī)理

碳點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理仍有待探索，目前沒(méi)有準(zhǔn)確統(tǒng)一的說(shuō)法來(lái)進(jìn)行完整的闡述。碳點(diǎn)的制備方法很多，不同的方法所制成的碳點(diǎn)有不同的結(jié)構(gòu)，其發(fā)光機(jī)理也可能因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同而有所不同。根據(jù)現(xiàn)有的研究，目前大多數(shù)研究者都比較支持表面缺陷態(tài)熒光機(jī)理等。

1.2 抗光漂白性和光穩(wěn)定性

在合成碳點(diǎn)的過(guò)程中，其抗光漂白性會(huì)隨著反應(yīng)的時(shí)間和溫度的變化而改變。WANG等合成碳點(diǎn)的過(guò)程中改變反應(yīng)的時(shí)間和溫度等因素后發(fā)現(xiàn)，碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率(QY)會(huì)隨著這些因素的增加而降低，但是抗光漂白性卻有所增強(qiáng)。XIONG等發(fā)現(xiàn)，碳點(diǎn)的碳化度越高，其光穩(wěn)定性越強(qiáng)，因?yàn)樘蓟|(zhì)能夠減少光化學(xué)損傷。

1.3 激發(fā)依賴性

碳點(diǎn)的熒光特性有兩個(gè)重要的參數(shù)，分別是發(fā)射波長(zhǎng)和量子產(chǎn)率。目前所研究的大部分碳點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)具有較強(qiáng)的激發(fā)依賴性，其中，碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)即缺陷態(tài)、官能團(tuán)和尺寸等方面會(huì)影響碳點(diǎn)的激發(fā)光依賴性。

2 碳點(diǎn)的合成

合成碳點(diǎn)主要的合成策略有兩類，包括自上而下法和自下而上法。自上而下法有電弧放電法、激光刻蝕法、電化學(xué)方法和化學(xué)剝落法4種。自上而下法是通過(guò)一系列物理化學(xué)的操作獲得納米級(jí)材料的方法，而自下而上法是將小分子化合物通過(guò)化學(xué)合成的方式合成碳量子點(diǎn)。

自下而上法的操作條件更容易得到滿足，獲得的碳源也較為豐富。水(溶劑)熱法是自下而上法中的一種，以水或有機(jī)物作溶劑，小分子可以在溶劑里經(jīng)過(guò)脫水、聚合、碳化和鈍化等過(guò)程合成碳點(diǎn)，除此以外，還有微波輔助法和模板法。微波輔助法中，分子受到電磁波的影響而振動(dòng)并相互碰撞，使得碳量子點(diǎn)合成的時(shí)間有所減少;模板法能夠控制碳點(diǎn)的形貌和尺寸，通過(guò)尋找簡(jiǎn)易的物質(zhì)充當(dāng)模板，并將所需要的材料填入模板，抽去模板即可得到一樣尺寸形貌的碳量子點(diǎn)。

2.1 碳點(diǎn)在食品檢測(cè)的應(yīng)用

食品安全一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)話題，為了檢測(cè)食品中可能存在的損害或威脅人體健康的有毒有害物質(zhì)，科研人員仍在不斷探索更先進(jìn)準(zhǔn)確的食品檢測(cè)方法。碳點(diǎn)的熒光探針具有制備簡(jiǎn)單、靈敏度高和速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此熒光碳點(diǎn)探針在食品檢測(cè)這一領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

2.2 重金屬離子檢測(cè)

一些工廠排放的廢氣、廢水不僅會(huì)污染環(huán)境，還容易影響附近農(nóng)作物質(zhì)量。廢氣、廢水中含有的金屬離子，例如鉛、汞、鎘等，長(zhǎng)期在人體內(nèi)積累會(huì)產(chǎn)生毒害作用。然而，人們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)重金屬離子能夠與碳點(diǎn)表面的羧基、巰基相結(jié)合進(jìn)而猝滅碳點(diǎn)的熒光，因此可應(yīng)用碳點(diǎn)法對(duì)食品中的重金屬進(jìn)行檢測(cè)。LI等用檸檬酸、尿素和草酸為原材料制備出兩種顏色的碳點(diǎn)，分別為藍(lán)色和綠色，將兩種碳點(diǎn)等比例混合后，發(fā)現(xiàn)其具有更高的靈敏度，能夠更加有效地檢測(cè)出汞離子的含量。

2.3 食品添加劑檢測(cè)

食品添加劑具備延長(zhǎng)食品保存時(shí)間、增強(qiáng)食品風(fēng)味、改善食品品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，但食品添加劑的過(guò)量使用會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生巨大危害，因此碳點(diǎn)對(duì)于食品添加劑檢測(cè)具有重要意義。據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，采用檸檬酸鈉和聚乙烯亞胺為原材料制備出的熒光碳點(diǎn)，可應(yīng)用于食品添加劑特丁基對(duì)苯二酚(TBHQ)的檢測(cè)。

2.4 抗生素檢測(cè)

抗生素主要用于治療細(xì)菌感染或微生物感染等疾病，但濫用后細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生一定耐藥性，使藥物失去作用，且不同的抗生素對(duì)人體均有不同程度的傷害，長(zhǎng)時(shí)期大量使用會(huì)使人體產(chǎn)生毒副作用。YU等以賴氨酸為原材料，通過(guò)微波輔助法制備碳點(diǎn)，在290 nm和365 nm處激發(fā)多西環(huán)素等7種抗生素，發(fā)現(xiàn)其熒光猝滅效果不同，因此可以根據(jù)猝滅效果的差異對(duì)抗生素進(jìn)行定性分析。

3 結(jié)語(yǔ)

作為備受關(guān)注的一種熒光納米材料，碳點(diǎn)具有良好的熒光性質(zhì)，且操作簡(jiǎn)便、生物相容性好。深入研究發(fā)現(xiàn)，碳點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題。①碳點(diǎn)表面利用率較低，雖然碳點(diǎn)含有豐富的表面官能團(tuán)，但對(duì)其進(jìn)行目的性的調(diào)節(jié)來(lái)提高熒光量子產(chǎn)率仍待進(jìn)一步研究。②碳點(diǎn)沒(méi)有明確的發(fā)光機(jī)理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)分布也不確定。③碳點(diǎn)的靈敏度和抗干擾性也有提升的空間。以上這些都是未來(lái)科研人員的鉆研方向。

參考文獻(xiàn)

[1]XU X,RAY R,GU Y,et al.Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments[J].Journal of the American Chemical Society,2004,126(40):12736-12737.

[2]SUN Y P,ZHOU B,LIN Y,et al.Quantum-sized carbon dots for bright and colorful photoluminescence[J].Journal of the American Chemical Society,2006,128(24):7756-7757.

[3]DIOGO T C,VERIDIANA V R,MARIANA B P.et al.The differences between observed and self-reported food safety practices:A study with food handlers using structural equation modeling[J]Food Research International,2019,125:108637.

[4]DENG D,LIN Q Y,LI H,et al.Rapid detection of malachite green residues in fish using a surface-enhanced Raman scattering-active glass fiber paper prepared by in situ reduction method[J].Talanta,2019,200:272-278.

[5]CHEN G Y,MIAO S.HPLC determination and MS confirmation of malachite green, gentian violet, and their leuco metabolite residues in channel catfish muscle[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2010,58(12):7109-7114.