BB娱乐平台登录艾弗森《食品科学》：四川农业大学韩国全副教授等：碳量子点

　　食品安全是全球主要的公共卫生问题，常见的食品污染物主要包括农药和兽药残留、非法添加剂、重金属离子、过敏原、霉菌毒素和微生物等。目前，食品中有害物质的常规分析方法主要包括气相色谱、高效液相色谱、质谱、液相色谱-质谱联用、聚合酶链式反应（PCR）、酶联免疫吸附测试（ELISA）和免疫层析测定等。与传统检测方法相比，基于荧光的分析方法在便携式传感和检测领域表现出巨大潜力。

　　荧光探针是荧光生物传感器不可或缺的部分，一个或多个荧光探针通过识别特定分析物或靶标的受体部分（酶、化学分子或遗传物质）并耦合，从而将识别过程转化为荧光信号，该荧光信号很容易被检测。碳量子点（CQDs）的优异荧光特性使其用途广泛，被认为是传感器研究能最强大的碳纳米材料之一。 基于此， 四川农业大学食品学院杨茂杰，施晓、韩国全*等 综述了 CQDs及其 荧光探针在食品安全检测应用中的研究进展，为食品安全提供新思路及参考。

　　碳点由于其纳米结构的多样性而难以准确定义和分类。根据碳纳米结构的多样性将碳点划分为石墨烯量子点（GQDs）、石墨氮化量子点（CNQDs）、碳纳米点（CNDs）、碳化聚合物点（CPDs）和CQDs，如图1所示。碳原子的排列、晶体结构、维数等将广泛的碳基荧光纳米点分为3 类：当纳米点呈现非晶态准球形且缺乏量子限制的CNDs；以及当纳米点呈现量子限制和晶体结构时，具有准球形形态的CQDs和具有π共轭单板的GQDs，如图2所示。虽然它们具有相近的尺寸和良好的光化学性质，但内部结构和表面化学基团均有所不同。

　　目前的研究表明，CQDs是一种粒径小于10 nm的准球形纳米颗粒，由碳核和表面基团组成，碳核由sp2杂化石墨微晶碳或sp3杂化非晶碳组成的骨架结构，具有无定形结构或结晶，表面通常带有丰 富的含氧官能团，如羧基和羟基，因此CQDs在水中具有很高的溶解度和生物相容性；除此之外，CQDs还是环境友好型材料，具有导电性好、化学稳定性高、光学性稳定、低毒性、高效光致发光发射等突出特点，可与传统重金属半导体量子点相媲美。

　　CQDs的发光机制复杂且受多种因素影响。目前，有两种发光机制被广泛接受：一种是来自CQDs碳核轭π域的带隙状态；另一种是CQDs表面的相关缺陷条带状态。但由于前体碳源的多样性以及在合成过程中掺杂其他元素（氮、硫等以及金属离子），以及局部荧光基团也会影响电子带隙的转变，从而影响荧光颜色。CQDs的发光主要取决于其激发的表面缺陷条带状态，且CQDs表现出两种荧光发射特性。

　　基于CQDs优良的特性，不少研究者将CQDs荧光探针应用到生物传感中时，需要根据特定待分析物的性质提高或者改变荧光性能，必须考虑CQDs的物理和化学特性，通过化学和物理等方法修饰CQDs，以满足传感应用要求。CQDs的石墨化程度和表面状态的差异是导致其光学性质差异的主要原因，因此可以通过控制反应环境，形成不同颜色的荧光CQDs。粒径也是显著影响荧光特性的关键因素之一，会导致各种荧光颜色，如蓝色、绿色、和红色。在较高温度下合成的CQDs表面容易形成 更多的氮官能团和氧官能团，表明荧光增强与结构缺陷数量的增加有关，缺陷越多荧光越强，特别是含氮缺陷比其他缺陷能更有效地增强荧光发射。 总之，CQDs的荧光机制由于丰富的前体碳源、不同的合成方法、实验条件和表面官能团差异，表现出不同的荧光特性，其确切的荧光机制还有待进一步研究。

　　CQDs因其良好的荧光特性、水溶性、低毒性及表面易修饰等优点，在食品安全检测方法中被广泛用于构建高灵敏、低成本、操作简单的荧光探针。CQDs的荧光传感机制大致可以分为3 类：CQDs表面的羟基、羧基、氨基等活性基团与被检测物质直接作用；通过荧光猝灭开关机制，CQDs与底物或猝灭剂结合导致荧光猝灭，再与被测物质作用恢复荧光；CQDs与抗体、适配体、多肽等特异性配体发生共价偶联，再与被测物质作用。

　　CQDs是一种新型的碳基纳米结构材料，由于其优越的发光性能，目前已建立各种方法合成CQDs以探索其特性。CQDs可以通过“自下而上”和“自上而下”的方法合成。传统的“自下而上”和“自上而下”合成CQDs的方法，由于在合成过程中需要大量的有毒溶剂、有害有机分子、昂贵的前体碳源以及高能耗，导致合成成本高不利于规模化，还会造成环境污染的问题。表1列举了代表性CQDs的合成方法及其区别。

　　绿色合成旨在从源头上减少和消除污染物，实现经济和社会可持续发展，是解决日益严重的资源环境问题的重要途 径。水热碳化法、热解、溶胶-凝胶合成和微波辅助方法构成了绿色合成技术，绿色合成方法可以减少化学品的消耗和废物的产生。表2描述了以生物质资源通过水 热法绿色合成CQDs的应用。

　　目前，由于分类不清的原因，研究中更多是关于碳点在检测致病菌方面的应用，而关于CQDs在致病菌检测方面较少。Pebdeni等从橄榄叶中合成了高量子产率的CQDs，通过基于荧光共振能量转移（FRET）原理检测金葡萄球菌。特定寡核苷酸适配子共价结合在CQDs表面，CQDs表面的胺基通过静电相互作用吸附到金纳米颗粒（AuNPs）表面合成特定荧光探针。虽然由于寡核苷酸适配子在260 nm波长处具有吸收峰，其结合在CQDs表面会导致荧光强度略微降低，但对实验的影响可以忽略。AuNPs的引入导致FRET过程，在FRET过程中CQDs-适配体的荧光被猝灭，在金葡萄球菌存在下，由于适配体与细菌表面之间的优先相互作用导致CQDs和AuNPs的释放，通过离心使金葡萄球菌-适配体偶联物和AuNPs沉淀，导致上清液中CQD荧光的再现，根据CQDs荧光强度变化得到金葡萄球菌的检测线 CFU/mL，检测限低至10 CFU/mL。Hu Xuetao等报道了一种以橙皮为碳源通过微波辅助法绿色合成的CQDs，将其用于制备检测大肠杆菌的荧光探针，该探针分别由CQDs与氨基修饰的适配体（Apt）共价偶联，磁性纳米颗粒（MNPs）与氨基修饰的cDNA共价连接，然后由Apt和cDNA杂交组成复合物。利用大肠杆菌与Apt的特异性结合，在检测体系中引入靶标菌和CQDs-MNPs荧光探针复合物，由于大肠杆菌的特异性识别，Apt端优先与大肠杆菌表面结合使Apt-CQDs与cDNAMNPs解离，最后通过磁场分离菌体，检测剩余荧光强度（图3）。CQDs作为荧光探针在检测微生物方面具有良好的灵敏度和实用性，并且操作简单，对操作人员专业性要求不高。上述两种方法均通过CQDs的荧光强度变化进行定量检测，但其基本原理不同，前者是基于FRET原理通过AuNPs猝灭CQDs自身荧光，后者在整个过程中CQDs自身荧光强度变化很小或者无变化，是通过体系中原始荧光探针和剩余荧光探针量的变化产生的荧光强度变化构建检测致病菌的方法。两种方法均很好地证明了CQDs在微生物检测中的巨大优势。

　　研究人员在利用抗体或适配体偶联CQDs作为荧光探针在检测生物毒素方面做出很多探索。Singh等开发了一种基于氮掺杂碳量子点（N-CQDs）的新型荧光免疫传感器，用于黄曲霉毒素M1（aflatoxin M1，AFM1）分析，如图4所示，以富含羧基的柠檬酸为碳源和富含胺基的聚乙烯亚胺为氮源，通过水热法合成N-CQDs，形状为准球形，平均直径为8 nm。N-CQDs通过1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺（EDS）和N-羟基丁二酰亚胺（NHS）介导的方法与抗AFM1抗体（Ab）通过酰胺化反应进行生物偶联形成N-CQDs/Ab，并以此作为荧光探针制备侧流免疫层析试纸条。该方法以AFM1为猝灭剂，当荧光探针N-CQDs/Ab和样品中AFM1之间产生特异性结合，AFM1会导致明显的荧光猝灭，可约30 min时在0.2～0.8 ng/mL范围内实现定量检测AFM1，检测限为0.07 ng/mL，然而受牛奶复杂基质以及酪蛋白和毒素之间的亲和力影响，在实际检测中检测限为0.08 ng/mL，但也远低于美国食品药品监督管理局建议的牛奶中AFM1的限值（0.5 ng/mL），并且在其他毒素干扰性实验中表现出良好的选择性。该方法中胺基功能化的CQDs使其荧光强度增加也更利于与抗体偶联。也有方法不通过抗体或适配体与CQDs生物偶联同样达到高灵敏度。Li Guangming等研究开发了一种基于N-CQDs内过滤效应的无标记免疫传感器用于检测AFM1，间接利用基于碱性磷酸酶（ALP）的ELISA系统中硝基苯基磷酸酯的氧化产物硝基苯酚对N-CQDs的荧光猝灭效果，实现AFM1的定量检测，检测限达0.018 6 ng/mL。上述两种检测方法均应用了免疫学原理，但前者是N-CQDs直接与抗体偶联，需要赋予CQDs表面胺基，以AFM1作为猝灭剂，而后者是以基于ALP的ELISA系统中氧化产物为猝灭。