碳點(diǎn)的功能化及其在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用

李延琪, 王 昱, 馮 亮

(1. 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所, 中國(guó)科學(xué)院分離分析化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116023; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

食品安全問(wèn)題已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)話題。色譜及相關(guān)技術(shù)作為食品質(zhì)量控制及分析的重要手段[1],在構(gòu)建食品溯源體系中扮演著關(guān)鍵角色[2,3]。但源于色譜相關(guān)技術(shù)的自身通量、成本等原因,在當(dāng)前食品溯源檢測(cè)體系中,色譜檢測(cè)技術(shù)僅能保證食品在加工或銷(xiāo)售過(guò)程中的抽樣質(zhì)量監(jiān)測(cè)而較難以實(shí)現(xiàn)每個(gè)環(huán)節(jié)的跟蹤式檢測(cè)。因此,要構(gòu)建新型全鏈覆蓋式食品可追溯體系,就需要對(duì)相關(guān)的快檢技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充?；诒壬珎鞲性淼目鞕z設(shè)備,由于成本低廉、選擇性好、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),非常適合應(yīng)用于新型食品安全溯源體系的構(gòu)建[4]。近年來(lái)隨著分析化學(xué)及材料化學(xué)的飛速發(fā)展,數(shù)以千計(jì)的可應(yīng)用于比色傳感的新型材料和新方法陸續(xù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。在眾多新型比色傳感材料中,碳點(diǎn)由于制備周期短、材料來(lái)源廣泛,且具有相對(duì)較高的量子產(chǎn)率、低毒性、良好的抗光漂白性、水溶性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[5]。這些特殊的性質(zhì)使碳點(diǎn)相比于金屬納米材料、生物酶以及傳統(tǒng)有機(jī)染料等,更適用于構(gòu)建新型比色傳感器并應(yīng)用到食品安全檢測(cè)中[6]。

圖 1 碳點(diǎn)傳感器文章發(fā)表趨勢(shì)圖Fig. 1 Trend of publications on CDs-based sensors Data source: Web of Science.

近年來(lái),基于碳點(diǎn)的熒光比色傳感器的文獻(xiàn)報(bào)道快速增長(zhǎng)(見(jiàn)圖1),設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新型碳點(diǎn)熒光傳感器是當(dāng)下的熱點(diǎn)工作之一[7]。原始碳點(diǎn)由于制備方法及其元素組成等原因,其表面的有效傳感作用位點(diǎn)的種類(lèi)十分有限(主要為羧基、羥基、醛基等含氧官能團(tuán)),因此未經(jīng)功能化的碳點(diǎn)選擇性和靈敏度較差[8]。如何有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)碳點(diǎn)的功能化修飾,是開(kāi)發(fā)新型碳點(diǎn)傳感器的核心部分[7]。

本文主要介紹了近年來(lái)碳點(diǎn)功能化修飾的研究進(jìn)展和功能化碳點(diǎn)在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用,并展望了開(kāi)發(fā)基于功能化碳點(diǎn)的食品安全快檢設(shè)備的應(yīng)用前景。

1 碳點(diǎn)的功能化

原始碳點(diǎn)(僅含C、H、O元素)的表面結(jié)構(gòu)較為單一,因此其選擇性和靈敏度較差[8]。功能化修飾是碳點(diǎn)傳感性質(zhì)拓展并增強(qiáng)的關(guān)鍵方法。目前,碳點(diǎn)的功能化主要包括摻雜改性以及表面修飾兩種。

摻雜改性作為材料改性方法早已廣泛應(yīng)用于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的研究中[9]。目前在碳點(diǎn)摻雜改性中使用最為廣泛的摻雜物為氮、硫、硼、磷等雜原子(見(jiàn)圖2)[10],金屬離子摻雜的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道也逐漸增加。由于前驅(qū)物種類(lèi)和制備方法的多樣性,碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)不確定性使其在摻雜或修飾改性后固有能帶、電子躍遷/轉(zhuǎn)移等性質(zhì)發(fā)生改變。而表面修飾方法則較少涉及碳點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。因此本文將著重以碳點(diǎn)摻雜改性為主,對(duì)碳點(diǎn)表面修飾方面的研究?jī)H作簡(jiǎn)略的介紹。

1.1 碳點(diǎn)的摻雜

1.1.1 氮原子摻雜碳點(diǎn)

氮原子具有較高的電負(fù)性,在碳骨架結(jié)構(gòu)(例如石墨烯、碳納米管)中摻雜氮原子能夠引起其固有費(fèi)米(Femi)能級(jí)發(fā)生移動(dòng),從而導(dǎo)致其熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。類(lèi)似的現(xiàn)象在氮摻雜碳點(diǎn)的工作中也多有報(bào)道[5]。同時(shí),碳點(diǎn)熒光增強(qiáng)的程度會(huì)隨著氮摻雜含量的增加而提高。

圖 2 不同溫度下碳點(diǎn)熒光中心的形成機(jī)制[15]Fig. 2 Mechanism of the formation of fluorescent center in carbon dots at different temperatures[15]

除了從下而上的摻雜法外,研究者們還通過(guò)將大尺寸的含氮物質(zhì)通過(guò)切割、刻蝕、水熱等方法來(lái)制備氮摻雜碳點(diǎn)。這些大尺寸的含氮材料包括蠟燭灰[24]、含氮氧化石墨烯[25]、殼聚糖[26]、蛋白質(zhì)[27]以及一些天然產(chǎn)物,例如草[28]、咖啡粉[29]、橘子皮[30]、蔗糖[31]等等。Liu等[32]在2007年用酸蝕蠟燭灰的方法制備了一種較高含氮比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)>9% )的碳點(diǎn),并將產(chǎn)物通過(guò)毛細(xì)電泳分離得到多個(gè)組分。所得各組分碳點(diǎn)的直徑從20 nm到800 nm不等,并且碳點(diǎn)直徑的大小與發(fā)射波長(zhǎng)有一定的關(guān)系。這與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)的量子限域效應(yīng)極為相似。Liu等[33]通過(guò)將氧化石墨烯粉末在二甲基甲酰胺(DMF)中熱解制備得到了氮摻雜的石墨烯點(diǎn)。DMF在高于沸點(diǎn)時(shí)分解為二甲胺和一氧化碳,其中二甲胺能夠與石墨烯表面的環(huán)氧官能團(tuán)通過(guò)親和開(kāi)環(huán)反應(yīng)生成1,2-氨基醇。該方法既可將sp2結(jié)構(gòu)域從氧化石墨烯片層中剝離出來(lái),又可實(shí)現(xiàn)對(duì)碳骨架的氮摻雜改性。但是,基于高度碳化前驅(qū)體的氮摻雜,產(chǎn)物碳點(diǎn)中的氮含量往往較低。

1.1.2 非氮雜原子摻雜

與氮摻雜相比,其他雜原子摻雜物主要包括硫[34]、硼[35]、磷[36]、硒[37]、硅[38]、氟[39]等。

硫摻雜是除了氮摻雜以外使用最多的碳點(diǎn)摻雜修飾方法。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,摻雜硫元素可以提高石墨烯片的自旋密度并引入額外的能級(jí),從而增強(qiáng)石墨烯片的熒光強(qiáng)度[40]。同時(shí),硫摻雜能夠使這些雜原子包含在碳結(jié)構(gòu)的邊緣以及碳點(diǎn)表面的官能團(tuán)中(噻吩硫以及氧化的硫)[41],使碳點(diǎn)表面在引入含硫活性位點(diǎn)外,還產(chǎn)生了額外的能級(jí),進(jìn)而增強(qiáng)了邊緣(表面)輻射態(tài)的熒光強(qiáng)度。此外,摻雜硫原子還能夠提高碳骨架邊緣結(jié)構(gòu)中碳原子的自旋密度,從而增強(qiáng)碳點(diǎn)的電子轉(zhuǎn)移能力[42]。因此,在一定范圍內(nèi)提高前驅(qū)物中的硫碳物質(zhì)的量比,可以有效地提高碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率。硫摻雜碳點(diǎn)的代表性前驅(qū)物是巰基氨基酸、過(guò)硫酸鈉及硫代蘋(píng)果酸。

磷摻雜也是使用較多的碳點(diǎn)摻雜修飾方法。據(jù)Shi等[36]報(bào)道,摻雜磷元素后,碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率得到了明顯的提升。碳點(diǎn)在摻雜磷后表面會(huì)形成更多的sp2碳簇,而碳簇?cái)?shù)量的增多提高了碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率[43]。同時(shí),由于磷原子的引入,在碳點(diǎn)的固有能帶中形成了新的缺陷,進(jìn)一步提升了磷摻雜碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率。這一推論也被用于解釋硅摻雜所引起的碳點(diǎn)熒光增強(qiáng)的現(xiàn)象。Zou等[44]認(rèn)為硅摻雜碳點(diǎn)的高熒光量子產(chǎn)率來(lái)源于碳點(diǎn)表面硅官能團(tuán)引入后所形成的有助于增強(qiáng)碳點(diǎn)激子輻射復(fù)合的新表面態(tài)。Barman等[45]通過(guò)對(duì)比磷摻雜和硼摻雜的碳點(diǎn)發(fā)現(xiàn),磷摻雜為n型摻雜,有助于碳點(diǎn)的激子進(jìn)行輻射弛豫,從而使得磷摻雜碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率提高。而硼摻雜則屬于p型摻雜,p型摻雜增加了碳點(diǎn)內(nèi)部激子的非輻射弛豫,從而導(dǎo)致產(chǎn)物碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率降低。目前,硼摻雜碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率大多低于10% 。

1.1.3 金屬摻雜

金屬離子摻雜是金屬納米顆粒修飾的重要方法之一。雖然不含金屬元素是碳點(diǎn)作為新型熒光材料的特點(diǎn)之一,但金屬摻雜能夠賦予碳點(diǎn)許多新的性質(zhì)。不同金屬離子具有不同的外層電子軌道,且價(jià)態(tài)變化多樣,使得金屬摻雜碳點(diǎn)具有多種多樣的光學(xué)及傳感性質(zhì)。目前,在碳點(diǎn)修飾中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)摻雜的金屬包括Gd[46]、Zn[47]、Cu[48]、Mg[49]、Mn[50]、Co[51]、Te[52]、Ge[53]、Ga[54]、Al[55]等。值得注意的是,金屬摻雜的碳點(diǎn)骨架中多有含氮結(jié)構(gòu)作為金屬摻雜物的結(jié)合位點(diǎn)。

錳是最早應(yīng)用于半導(dǎo)體量子點(diǎn)摻雜的金屬之一[56]。近期,Wang等[57]使用金屬指示劑1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚(PAN)與氯化錳通過(guò)一步溶劑水熱法制備了一種錳摻雜碳點(diǎn)。通過(guò)表面增強(qiáng)拉曼光譜和紅外光譜分析發(fā)現(xiàn),錳摻雜碳點(diǎn)中存在著類(lèi)似Mn[PAN]2的螯合結(jié)構(gòu),證明了錳是以配位的形式被引入碳骨架內(nèi)部。通過(guò)與未摻雜碳點(diǎn)(僅用PAN做前驅(qū)物制備合成)的熒光光譜對(duì)比發(fā)現(xiàn),錳摻雜碳點(diǎn)的發(fā)射峰發(fā)生了明顯紅移。利用激發(fā)光譜、發(fā)射光譜以及2D熒光光譜分析,通過(guò)構(gòu)建三維熒光結(jié)構(gòu)圖,揭示了該類(lèi)功能化碳點(diǎn)中存在著能量由表面態(tài)向與錳相關(guān)金屬態(tài)的轉(zhuǎn)移,即碳點(diǎn)顆粒內(nèi)熒光能量共振轉(zhuǎn)移系統(tǒng),且該系統(tǒng)對(duì)所處分散體系的極性十分敏感。

其他金屬摻雜的碳點(diǎn)也多有文獻(xiàn)報(bào)道。例如將Gd作為摻雜金屬,碳點(diǎn)作為載體制備得到的碳點(diǎn)可用于解決目前含Gd的MRI造影劑強(qiáng)生物毒性的問(wèn)題。將Gd摻雜入碳點(diǎn)后,其因游離Gd造成的生物毒性大幅降低,摻雜的碳點(diǎn)靶向性更好,光學(xué)性質(zhì)相較于含Gd的傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)或有機(jī)熒光探針也更為出色。在小鼠實(shí)驗(yàn)中,Gd摻雜碳點(diǎn)在注射后能很快經(jīng)膀胱排出生物體外。同時(shí),小鼠尿液的分析結(jié)果也表明在排出的尿液中沒(méi)有游離的Gd,證明了Gd摻雜碳點(diǎn)在造影及代謝過(guò)程中具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性,因此其在醫(yī)療領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價(jià)值[58]。銅摻雜也是常見(jiàn)的碳點(diǎn)金屬摻雜改性方法之一。Wu等[59]通過(guò)煅燒Na2[Cu(EDTA)]制備了銅摻雜碳點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同的煅燒溫度對(duì)產(chǎn)物碳點(diǎn)中的銅含量及價(jià)態(tài)影響巨大。溫度越高,銅百分比則越低,且Cu(Ⅱ)越容易被還原成Cu(0),從而影響了摻雜碳點(diǎn)產(chǎn)物的光催化效能和電導(dǎo)率。通過(guò)與未摻雜銅的碳點(diǎn)(EDTA碳點(diǎn))進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)Cu-N結(jié)構(gòu)可以極大程度地提高碳點(diǎn)得失電子的能力以及電導(dǎo)率,使其具有良好的光催化性能。Cheng等[47]用檸檬酸和尿素與氯化鋅通過(guò)溶劑熱反應(yīng)制備了具有橙黃色熒光的鋅摻雜碳點(diǎn),其最大發(fā)射波長(zhǎng)紅移至580 nm并表現(xiàn)出激發(fā)不依賴(lài)的熒光特點(diǎn)。這是由于Zn摻雜在碳點(diǎn)能帶中引入了新的能級(jí),從而形成更多表面位點(diǎn),使摻雜碳點(diǎn)的發(fā)射光譜發(fā)生紅移。

1.2 碳點(diǎn)的表面修飾

碳點(diǎn)表面豐富且相對(duì)簡(jiǎn)單的官能結(jié)構(gòu),使其表面易于修飾改性。表面修飾根據(jù)反應(yīng)原理可以分為兩類(lèi):即共價(jià)修飾和非共價(jià)修飾(見(jiàn)圖3)[60]。原始碳點(diǎn)的表面含有大量羧基,因此,酰胺耦合和酯化是碳點(diǎn)表面修飾常用的方法。對(duì)于氮摻雜的碳點(diǎn),其表面的氨基結(jié)構(gòu)也是酰胺耦合能夠成為該類(lèi)碳點(diǎn)表面修飾重要方法的原因之一。N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)是碳點(diǎn)表面修飾酰胺耦合反應(yīng)中常用的羧基活化劑。非共價(jià)修飾原理則主要包括:1)π-π堆積效應(yīng),如碳點(diǎn)/石墨烯、碳點(diǎn)/葡萄糖、碳點(diǎn)/DNA等體系的構(gòu)建;2)絡(luò)合作用,例如碳點(diǎn)與金屬離子、金屬納米顆粒的結(jié)合改性;3)靜電吸引,例如碳點(diǎn)與功能性小分子、適配體、酶等等的結(jié)合。

2 碳點(diǎn)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用

食品安全問(wèn)題主要源于化學(xué)污染和添加劑濫用,包括重金屬離子、陰離子、農(nóng)藥、獸藥等等。近年來(lái),碳點(diǎn)熒光傳感器在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注。文獻(xiàn)已報(bào)道的碳點(diǎn)熒光傳感器,根據(jù)其檢測(cè)原理的不同可分為熒光淬滅和熒光增強(qiáng)(或恢復(fù))兩大類(lèi)。下面將根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的分類(lèi)來(lái)進(jìn)行介紹。

圖 3 碳點(diǎn)表面修飾[60]Fig. 3 Surface modification of carbon dots[60]

2.1 重金屬離子及非金屬離子

許多重金屬離子在人體內(nèi)具有累積效應(yīng),因此食品中重金屬離子含量的定量檢測(cè)至關(guān)重要。汞離子由于具有很強(qiáng)的神經(jīng)毒性,是食品重金屬檢測(cè),尤其是水產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中重要的檢測(cè)物之一。Wang等[61]利用紅氨酸與汞離子的特殊親和性,即紅氨酸僅能和汞離子特異性形成-S-Hg-S-的二齒二配位結(jié)構(gòu),開(kāi)發(fā)了一種基于氮硫共摻雜的碳點(diǎn)(NSCDs),并將其用于汞離子快速檢測(cè)試紙的制作。該檢測(cè)試紙可應(yīng)用于汞離子、氰根離子以及氫硫酸根離子的快速檢測(cè)。水溶液中的Hg2+離子可與NSCDs表面的紅氨酸殘基絡(luò)合,使碳點(diǎn)熒光發(fā)生淬滅。這一過(guò)程對(duì)汞離子表現(xiàn)出良好的選擇性,而在NSCDs@Hg2+絡(luò)合物溶液中加入CN-離子,NSCDs的熒光重新恢復(fù),但加入氫硫酸根離子時(shí)則發(fā)生顯著的顏色變化。吡啶-2,6-二羧酸與汞離子有強(qiáng)結(jié)合力,利用吡啶-2,6-二羧酸制備的可用于快速測(cè)定汞離子的功能化碳點(diǎn)傳感器,實(shí)現(xiàn)了其對(duì)人體尿液中汞含量的快速測(cè)定,有助于預(yù)防由于食品污染所引起的慢性汞中毒[62]。由葉酸和乙二醇制備的氮摻雜碳點(diǎn)也對(duì)汞離子表現(xiàn)出較好的選擇性,其選擇性則可能來(lái)自于汞離子誘導(dǎo)的內(nèi)酰胺開(kāi)環(huán)反應(yīng)以及碳點(diǎn)激發(fā)態(tài)電子向汞離子d軌道的轉(zhuǎn)移[63]。針對(duì)水產(chǎn)品中的鉻離子污染問(wèn)題,Zhang等[51]利用金屬摻雜碳點(diǎn)獨(dú)特的顆粒內(nèi)熒光能量共振轉(zhuǎn)移性質(zhì),制備合成了一種檢測(cè)Cr(Ⅵ)的碳點(diǎn)用于水產(chǎn)品中鉻離子的快速檢測(cè)。水產(chǎn)品樣品中存在的Cr(Ⅵ)會(huì)影響該碳點(diǎn)表面的熒光轉(zhuǎn)移,使其表面態(tài)熒光強(qiáng)度減弱,而摻雜的金屬離子對(duì)其熒光強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。此外,Zhang等[64]利用檸檬酸和PEG-二胺制備的氮摻雜碳點(diǎn)對(duì)鐵離子表現(xiàn)出良好的選擇性,其Fe3+線性檢測(cè)區(qū)間為0.01 μmol/L 到500 μmol/L,檢出限為2.5 nmol/L。作者通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)三價(jià)鐵與酚羥基復(fù)合物的能級(jí)差要小于碳點(diǎn)自身的帶隙。因此,激發(fā)態(tài)的電子可以轉(zhuǎn)移到鐵的d軌道并通過(guò)非輻射躍遷轉(zhuǎn)移回到基態(tài),導(dǎo)致熒光淬滅。未摻雜碳點(diǎn)也同樣具有相同的Fe3+熒光淬滅機(jī)理,但是氮摻雜后碳點(diǎn)的電子和化學(xué)特征發(fā)生了變化,使碳點(diǎn)的酚羥基與Fe3+更易形成復(fù)合物,從而提高了碳氮對(duì)Fe3+的靈敏度。目前,基于碳點(diǎn)的化學(xué)傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cu2+、Zn2+、Ag+、Al3+、Pb2+、Cr2+、Mn2+、Cd2+等重金屬離子的定量檢測(cè)[65]。

圖 4 基于氮硫摻雜碳點(diǎn)的Hg2+、CN-及HS-離子檢測(cè)[61]Fig. 4 Detection of Hg2+, CN-, and HS- based on N,S-doped carbon dots[61]

2.2 農(nóng)藥殘留物

農(nóng)殘檢測(cè)中的功能化碳點(diǎn)傳感器主要為碳點(diǎn)與酶、金屬離子或納米顆粒組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)[68]。Hou等[69]利用農(nóng)藥對(duì)乙酰膽堿酯酶活性的抑制作用,降低了復(fù)合體系內(nèi)產(chǎn)生的H2O2濃度,從而使淬滅的碳點(diǎn)熒光恢復(fù),達(dá)到對(duì)多種有機(jī)磷類(lèi)農(nóng)藥的快速檢測(cè)。酪氨酸酶能夠催化酪氨酸甲酯生成熒光淬滅劑奎寧。甲基對(duì)硫磷農(nóng)藥可抑制絡(luò)氨酸酶的活性,從而降低體系中的奎寧濃度,使淬滅的碳點(diǎn)熒光恢復(fù),達(dá)到對(duì)甲基對(duì)硫磷農(nóng)殘的快速檢測(cè)。同樣,基于酶催化抑制原理,金屬離子@碳點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的碳點(diǎn)傳感器也已實(shí)現(xiàn)了對(duì)馬拉硫磷[70]和敵敵畏的快速檢測(cè)[71]。硫代乙酰膽堿(ATChCl)在乙酰膽堿酯酶(AChE)的催化作用下產(chǎn)生的硫代膽堿(TCh)可與Cu2+結(jié)合,從而使被Cu2+淬滅的碳點(diǎn)熒光恢復(fù)。加入敵敵畏后,由于敵敵畏抑制了乙酰膽堿酯酶的活性,從而碳點(diǎn)的熒光再次被Cu2+淬滅[71]。此外,金屬膠體納米顆粒,如AgNPs、AuNPs和量子點(diǎn),也能通過(guò)熒光能量共振轉(zhuǎn)移(FRET)或內(nèi)濾效應(yīng)(IFE)等機(jī)制引入到基于碳點(diǎn)的農(nóng)殘檢測(cè)中[72]。

2.3 抗生素及獸藥

利用碳點(diǎn)傳感器檢測(cè)抗生素及獸藥的工作也多有文獻(xiàn)報(bào)道?；谔键c(diǎn)熒光傳感器的抗生素檢測(cè)機(jī)理主要有兩種。一種是通過(guò)碳點(diǎn)直接與抗生素相互作用,使其熒光淬滅檢測(cè)。熒光淬滅機(jī)理源于碳點(diǎn)產(chǎn)生的激子被碳點(diǎn)@抗生素復(fù)合物中新形成的能級(jí)所捕獲。利用這類(lèi)碳點(diǎn)傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)土霉素、金霉素、強(qiáng)力霉素等四環(huán)素,以及頭孢氨芐[73]、環(huán)丙沙星[74]、諾氟沙星[75]、磺胺嘧啶[76]等抗生素的檢測(cè),但此類(lèi)碳點(diǎn)傳感器的選擇性往往較差。另一種則是利用抗生素與碳點(diǎn)@金屬?gòu)?fù)合物之間發(fā)生相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)高選擇性的傳感檢測(cè)。Qu等[77]利用四環(huán)素與Al3+之間的螯合作用,抑制了Al3+與碳點(diǎn)之間的熒光增強(qiáng)效應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)了碳點(diǎn)對(duì)四環(huán)素的高選擇性檢測(cè)。此外,碳點(diǎn)@Fe3+體系也被報(bào)道用于定量檢測(cè)肉中土霉素的殘留量[78]。

快速檢測(cè)肉類(lèi)及奶制品中的激素類(lèi)獸藥也是目前廣受關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。利用己烯雌酚與硫硼摻雜碳點(diǎn)之間形成的氫鍵及π-π堆積效應(yīng),Zhao等[79]報(bào)道了一種可用于測(cè)定牛奶中己烯雌酚(非甾體激素類(lèi)藥物)含量的碳點(diǎn)傳感器。Liu等[80]報(bào)道了基于碳點(diǎn)@膠體金的瘦肉精傳感器。在碳點(diǎn)@膠體金復(fù)合體系中加入瘦肉精時(shí),膠體金和瘦肉精之間發(fā)生Au-N螯合作用,碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度恢復(fù),從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)瘦肉精的快速測(cè)定。

2.4 細(xì)菌

大多數(shù)細(xì)菌的表面等電點(diǎn)較低,通常帶有豐富的負(fù)電荷。修飾后的碳點(diǎn)能夠附著于細(xì)菌表面,同時(shí)其熒光強(qiáng)度發(fā)生顯著的增加[81]。因此,利用碳點(diǎn)構(gòu)建的細(xì)菌熒光傳感器受到了廣大研究者們的關(guān)注。

Wang等[82]報(bào)道了一種典型的基于適配體修飾的復(fù)合型碳點(diǎn)傳感器,該傳感器可識(shí)別傷寒沙門(mén)氏菌表面的一種特定膜蛋白,根據(jù)溶液的熒光強(qiáng)度定量檢測(cè)鼠傷寒沙門(mén)氏菌的濃度。利用類(lèi)似的原理,經(jīng)甘露糖[83]、黏菌素[84]、阿米卡星[85]等修飾的碳點(diǎn),以及經(jīng)抗體@有機(jī)硅納米顆粒修飾的碳點(diǎn),分別成功用于定量檢測(cè)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的含量[86]。此外,碳點(diǎn)在細(xì)菌表面團(tuán)聚所發(fā)生的熒光淬滅效應(yīng)也可被用于細(xì)菌的定量檢測(cè)[87]。

2.5 食品添加劑

食品添加劑也是食品安全領(lǐng)域中的重要內(nèi)容。目前,基于碳點(diǎn)的熒光傳感器已被應(yīng)用到多種食品添加劑的快速定量檢測(cè)中,如維生素[88]、氨基酸和蛋白質(zhì)[89]、糖類(lèi)[90]、植酸[91]、日落黃(食用色素)[92]、咖啡酸[93]、姜黃素[94]、兒茶酚[95]、山柰酚[96]、酒黃石[81]、單寧酸[97]、三聚氰胺[98]等等。其檢測(cè)原理同樣是基于碳點(diǎn)與金屬離子、酶或膠體金屬納米顆粒構(gòu)成復(fù)合體系,再與待分析物之間產(chǎn)生相互作用。碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度與被分析物濃度之間的線性關(guān)系是其實(shí)現(xiàn)的定量檢測(cè)的根本。碳點(diǎn)作為一個(gè)良好的光學(xué)信號(hào)體在適當(dāng)?shù)男揎椇?其選擇性和靈敏度均有大幅提升。

3 總結(jié)與展望

經(jīng)過(guò)近10年的研究,碳點(diǎn)作為新型光學(xué)傳感材料在眾多領(lǐng)域中的重要性日益顯著。碳點(diǎn)由于其制備方法簡(jiǎn)單、成本低廉、抗光漂白性及化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì),在食品安全快速檢測(cè)領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過(guò)摻雜或修飾后,功能化的碳點(diǎn)具有靶向性識(shí)別食品中重金屬、農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、細(xì)菌以及添加劑的能力。因此,對(duì)碳點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的摻雜及修飾是設(shè)計(jì)碳點(diǎn)熒光傳感器的核心內(nèi)容。

但是,碳點(diǎn)的功能化尚存在不少問(wèn)題亟須解決。首先,前驅(qū)物種類(lèi)和制備方法不同,導(dǎo)致碳點(diǎn)結(jié)構(gòu)的不確定性為其摻雜和修飾造成了諸多不便。研究者需要通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)篩選而不是通用性的理論指導(dǎo)來(lái)得到相應(yīng)的碳點(diǎn)摻雜和修飾方法。其二,功能化的碳點(diǎn)顆粒之間、制備批次之間存在的差異導(dǎo)致其在傳感檢測(cè)中的重復(fù)性和穩(wěn)定性較差,這一問(wèn)題很大程度上限制了功能化碳點(diǎn)的儀器化轉(zhuǎn)化。第三,由于碳點(diǎn)自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),大多數(shù)功能化碳點(diǎn)的固有能帶間隙較寬,熒光發(fā)射波長(zhǎng)較短,這使得碳點(diǎn)傳感器在檢測(cè)時(shí)受到較大的背景噪聲干擾,從而限制了功能化碳點(diǎn)在復(fù)合傳感器中所發(fā)揮的作用,即在大多數(shù)情況下碳點(diǎn)僅能作為熒光能量給體或光源信號(hào)體使用。要解決這些問(wèn)題,最重要的是實(shí)現(xiàn)碳點(diǎn)結(jié)構(gòu)的可調(diào)控制備,這也是目前碳點(diǎn)研究領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

在食品安全問(wèn)題日益嚴(yán)重的當(dāng)下,色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室方法,由于檢測(cè)通量及費(fèi)用等問(wèn)題暫無(wú)法滿足食品從種植到餐桌這一過(guò)程中的全鏈覆蓋式檢測(cè)需求。因此,開(kāi)發(fā)新型的快檢設(shè)備是實(shí)現(xiàn)全鏈覆蓋式食品溯源檢測(cè)體系的重要手段。相較于膠體金屬納米顆粒及傳統(tǒng)熒光探針,碳點(diǎn)在制備成本、使用安全性及化學(xué)穩(wěn)定性等方面都具有更大的優(yōu)勢(shì)。開(kāi)發(fā)基于功能化碳點(diǎn)的新型食品安全快速檢測(cè)設(shè)備也將是碳點(diǎn)傳感器領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。相信在不久的將來(lái),應(yīng)用功能化碳點(diǎn)熒光傳感器的食品安全快檢設(shè)備能夠設(shè)計(jì)完成并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。