王秋月，緒亞鑫，蔡朝霞，陳翊平，黃 茜，馬美湖，付 星*

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，國(guó)家蛋品加工技術(shù)研究分中心，湖北 武漢 430070）

碳點(diǎn)作為一種新型的熒光納米材料，以其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)、良好的生物相容性、綠色的制備條件和顯著的應(yīng)用價(jià)值而備受關(guān)注。2004年，Xu Xiaoyou等[1]在進(jìn)行單壁碳納米管懸浮液的分離和純化過程中，首次發(fā)現(xiàn)這種帶有熒光的碳納米顆粒。2006年，Sun Yaping等[2]以石墨為原料，通過激光刻蝕法制得熒光碳納米顆粒，并將其命名為“碳點(diǎn)”。從形態(tài)上來說，碳點(diǎn)是直徑小于10 nm的準(zhǔn)球形顆粒;從結(jié)構(gòu)上來說，碳點(diǎn)由sp2雜化或sp3雜化的碳原子構(gòu)成，表面有大量的羥基、羧基等親水性官能團(tuán)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同一般可將碳點(diǎn)分為3 類：石墨烯量子點(diǎn)（graphene quantum dots，GQDs）、碳量子點(diǎn)（carbon nano dots，CNDs）和聚合物量子點(diǎn);性質(zhì)方面，碳點(diǎn)具有激發(fā)波長(zhǎng)依賴性、pH值依賴性、上轉(zhuǎn)換熒光性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗光漂白性、低毒性以及良好的生物相容性;應(yīng)用方面，碳點(diǎn)因其優(yōu)良的性質(zhì)，在生物成像、分析檢測(cè)、催化、藥物載體、光電設(shè)備等方面有著廣闊的前景，尤其成為了半導(dǎo)體量子點(diǎn)的良好替代者。研究者們圍繞碳點(diǎn)的合成原料、合成方法、熒光機(jī)理以及應(yīng)用等方面的研究取得了可喜的進(jìn)步。關(guān)于碳點(diǎn)的文獻(xiàn)綜述[3-5]著重關(guān)注于碳點(diǎn)的制備、性質(zhì)和應(yīng)用，但是目前圍繞制備碳點(diǎn)原料展開的綜述較少。近年來，圍繞食品原料合成碳點(diǎn)的報(bào)道越來越多，使原本低附加值的食物轉(zhuǎn)變成光學(xué)性質(zhì)獨(dú)特、生物相容性良好的納米材料成為可能，由此食品源碳點(diǎn)成為碳點(diǎn)研究值得關(guān)注的一個(gè)嶄新視角。

1 制備碳點(diǎn)的食品原料

起初碳點(diǎn)僅由碳質(zhì)化合物制得，比如活性炭[6]、石墨[7]、C60[8]、蠟燭煙灰[9]等，但這些原料制得的碳點(diǎn)量子產(chǎn)率普遍較低。大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，某些雜原子的摻雜會(huì)使碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率大幅提高，發(fā)射波長(zhǎng)紅移。隨后雜原子摻雜碳點(diǎn)的制備成為研究熱點(diǎn)，檸檬酸和乙二胺[10-11]、葡萄糖和氨水[12]、苯二胺[13]等化合物逐漸成為合成碳點(diǎn)的常用原料。除了最常用的氮元素之外，硫、磷、硼、硒等元素也均可作為雜原子摻雜制得碳點(diǎn)。Dong Yongqiang等[14]以檸檬酸和半胱氨酸為原料制得了量子產(chǎn)率高達(dá)73%的氮、硫摻雜碳點(diǎn)。在倡導(dǎo)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的大背景下，綠色化學(xué)成為了碳納米材料最近幾年的研究重點(diǎn)。2012年，Liu Sen等[15]使用草為原料，通過簡(jiǎn)便的水熱法制得了碳點(diǎn)，并應(yīng)用于Cu2+的檢測(cè)，這是利用天然原料制備碳點(diǎn)的首次嘗試;之后研究人員致力于尋找價(jià)格低廉、容易獲得、對(duì)環(huán)境友好的原料，以及更加綠色環(huán)保的方法合成碳點(diǎn)。相較于人工合成原料，天然原料在綠色合成碳點(diǎn)方面具有優(yōu)勢(shì)，但仍有部分值得注意的問題。比如：1）天然原料本身可能具有毒性;2）原料的價(jià)格昂貴、來源不足;3）制備過程中工藝復(fù)雜及可能污染環(huán)境;4）制得的碳點(diǎn)毒性高或生物相容性差。而食品原料具有毒性低、價(jià)格低廉、來源廣泛、容易獲得、對(duì)環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)，制得的碳點(diǎn)毒性低，所含元素種類豐富。對(duì)合成碳點(diǎn)的食品原料種類及所制得的碳點(diǎn)性質(zhì)歸納總結(jié)得到表1，可以發(fā)現(xiàn)，部分研究人員并不是隨意地選擇食品原料制備碳點(diǎn)，而是有針對(duì)性地合成長(zhǎng)波長(zhǎng)、多色發(fā)光或其他特定性質(zhì)的碳點(diǎn)，使得其應(yīng)用也存在較大的差異性[16-17]。

表 1 利用食品原料制得的碳點(diǎn)及其特征Table 1 Carbon dots made from food materials and their characteristics

2 食品源碳點(diǎn)的制備方法

研究人員旨在用便捷安全、綠色環(huán)保、無毒無害的方法制備碳點(diǎn)。根據(jù)原料與碳點(diǎn)之間的關(guān)系可以分為自上而下法和自下而上法。自上而下法是指比較大的碳顆粒經(jīng)過刻蝕、分裂、切割等過程得到比較小的碳顆粒的方法，常用的自上而下法有激光刻蝕法、電弧放電法、電化學(xué)法等;而自下而上法是指比較小的前體物質(zhì)經(jīng)過水熱熱解、碳化熱解等過程得到納米顆粒的方法，常用的自下而上法有水熱法、熱分解法、化學(xué)氧化法、微波輔助法等。幾種制備食品源碳點(diǎn)的常用方法及其優(yōu)缺點(diǎn)的具體分析見表2。

表 2 不同食品源碳點(diǎn)制備方法之間的對(duì)比Table 2 Comparison between different methods for preparing food-derived carbon dots

2.1 水熱法

水熱法是制備食品源碳點(diǎn)最常用的方法，一般步驟是將食品原料與適量的水或其他溶劑裝入高溫反應(yīng)釜后置于烘箱中發(fā)生高溫水熱反應(yīng)最終制得碳點(diǎn)。Sahu等[26]通過水熱法處理橙汁經(jīng)離心后制得了熒光量子產(chǎn)率高達(dá)26%的食品源碳點(diǎn)，并將其應(yīng)用于生物成像。利用同樣的方法，以香蕉汁[27]、蘋果汁[25]、檸檬水[40]為原料也可制得毒性低、生物相容性良好的碳點(diǎn)。豬皮中含有大量的氮元素，Wen Xiangping等[48]以豬皮為原料制得了量子產(chǎn)率高達(dá)24.9%的氮摻雜綠色熒光碳點(diǎn)（圖1）。大蒜中氮、硫元素的含量豐富，Zhao Shaojing等[24]以大蒜為原料通過水熱法制得了量子產(chǎn)率為17.5%的氮、硫共摻的N、S-CNDs，該碳點(diǎn)在水中分散性良好，呈現(xiàn)出明亮、強(qiáng)烈的藍(lán)色，并具有優(yōu)異的pH值穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。Sun Chun等[23]同樣利用大蒜制得了N、S-CNDs，與文獻(xiàn)[24]的不同之處在于，在水熱反應(yīng)中加入了乙二胺以提高碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率，最終得到了量子產(chǎn)率為20.5%的藍(lán)色熒光碳點(diǎn)，并將其應(yīng)用于Fe3+的檢測(cè)。稻殼中含有大量的硅元素，Wang Zhaofeng等[18]通過水熱法利用稻殼制備碳點(diǎn)，在制備過程中得到了副產(chǎn)物介孔SiO2納米粒子，實(shí)現(xiàn)了原材料的綜合利用。水熱法有很多優(yōu)點(diǎn)，但部分原料在水熱反應(yīng)中并沒有被充分利用，因此在轉(zhuǎn)化率、控制粒度大小等方面仍待進(jìn)一步提高[54]。

圖 1 通過水熱法處理豬皮合成綠色碳點(diǎn)的示意圖[48]Fig. 1 Schematic diagram of the synthesis of green carbon dots from pig skin through hydrothermal treatment[48]

2.2 熱分解法

熱分解法是指通過直接加熱、碳化食品原料，再經(jīng)分離純化后得到碳點(diǎn)。雞蛋[50]、甜椒[37]、卷心菜[38]、大豆粉[19]等食品原料均可通過此方法制得碳點(diǎn)。Yin Bangda等[37]以甜椒為原料，在180 ℃的條件下經(jīng)過5 h的碳化后離心透析得到量子產(chǎn)率為19.3%的藍(lán)色熒光碳點(diǎn)，并將其應(yīng)用于次氯酸鹽的檢測(cè)。大豆富含蛋白質(zhì)，氮元素含量很高。Xu Manman等[19]將大豆粉低溫碳化制得了氮摻雜的藍(lán)色熒光碳點(diǎn)，將黑色殘余物恒溫干燥至恒質(zhì)量后，在氫氧化鉀溶液中浸泡10 h后干燥，并在750 ℃的條件下進(jìn)一步熱解碳化制得了高比表面積、高比電容的多孔碳。此方法為高蛋白質(zhì)食品原料在碳點(diǎn)制備過程中的綜合利用提供了新思路（圖2）。

圖 2 利用大豆粉合成碳點(diǎn)和多孔碳的示意圖[19]Fig. 2 Schematic diagram of the synthesis of carbon dots and porous carbon using soybean meal[19]

2.3 微波輔助法

圖 3 葡萄糖經(jīng)微波輔助法合成碳點(diǎn)的示意圖[58]Fig. 3 Schematic diagram of microwave-assisted synthesis of carbon dots[58]

微波輔助法是一種高效、省時(shí)、操作簡(jiǎn)單、成本低廉的碳點(diǎn)制備方法。微波輔助法一般步驟是先將食品溶解在水或特定溶劑中，放到微波室中處理一定時(shí)間，再經(jīng)分離純化得到碳點(diǎn)。2009年，Zhu Hui等[57]首次使用了微波輔助法，以碳水化合物和PEG-200的混合水溶液為原料，微波爐中500 W加熱2～10 min制得了碳點(diǎn)。Tang Libin等[58]以葡萄糖作為唯一原料，未經(jīng)過表面鈍化制得了平均直徑小于1.65 nm的碳點(diǎn)（圖3）。Qin Xiaoyun等[22]以面粉為原料，通過微波輔助法制得碳點(diǎn)，并將其應(yīng)用于Hg2+的選擇性檢測(cè)。Vikneswaran等[28]將香蕉皮粉末的水溶液經(jīng)微波加熱處理40 min后制得了N、S-CNDs。蓮藕也可以作為微波輔助法制備碳點(diǎn)的原料，Gu Dan等[35]以蓮藕為原料制得了量子產(chǎn)率為19%的碳點(diǎn)，并將其應(yīng)用于Hg2+的檢測(cè)和細(xì)胞成像。微波輔助法雖然具有成本低、耗時(shí)短、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但利用此法制得的碳點(diǎn)存在粒徑不均勻現(xiàn)象。

2.4 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是一種操作簡(jiǎn)單、快速便捷的碳點(diǎn)制備方法，利用HNO3、H2SO4、H2O2等化學(xué)氧化劑促進(jìn)食品原料碳化以制備食品源碳點(diǎn)。一般步驟是先將食品原料碳化，再利用化學(xué)氧化劑處理經(jīng)碳化后的原料，最后經(jīng)分離純化得到碳點(diǎn)。Yan Zhengyu等[21]以淀粉為原料，采用混合氧化劑（醋酸和H2O2）通過化學(xué)氧化法未經(jīng)表面改性制得碳點(diǎn)，并將其應(yīng)用于化療藥物伊馬替尼的檢測(cè)?；瘜W(xué)氧化過程亦可以引入含氧官能團(tuán)、提供更為豐富的表面修飾，從而賦予碳點(diǎn)優(yōu)異的親水性和發(fā)射波長(zhǎng)可控性[5]。

2.5 萃取法

圖 4 速溶咖啡通過萃取法制得碳點(diǎn)的示意圖[42]Fig. 4 Schematic diagram of the preparation of carbon dots by the extraction of instant coffee[42]

萃取法是一類針對(duì)食品原料的特殊碳點(diǎn)制備方法，由于某些食品原料本身就含有碳點(diǎn)，可以直接通過萃取的方法從中提取出碳點(diǎn)[54]。Jiang Chengkun等[42]通過萃取法從速溶咖啡中成功地提取出食品源碳點(diǎn)。具體方法為，將4 g速溶咖啡粉加入到20 mL、90 ℃的蒸餾水中劇烈攪拌離心后，再將上清液經(jīng)膜過濾（0.22 μm）除去大顆粒，最后以純水為洗脫劑通過Sephadex G-25凝膠層析純化制得碳點(diǎn)。該碳點(diǎn)具有良好的生物相容性，可應(yīng)用于體外細(xì)胞成像和小型動(dòng)物體內(nèi)成像（圖4）。Wei Jumeng等[44]偶然地發(fā)現(xiàn)一杯茶在紫外燈下會(huì)發(fā)出藍(lán)光，對(duì)茶水進(jìn)行一系列的表征后發(fā)現(xiàn)茶水中含有水溶性的碳點(diǎn)。將茶水離心后用過量的甲苯提取沉淀有機(jī)物，靜置后取上清液經(jīng)透析制得澄清透明的碳點(diǎn)溶液。茶水中提取出的碳點(diǎn)具有獨(dú)特的光致發(fā)光特性和良好的生物相容性，已成功地將其應(yīng)用于Hg2+檢測(cè)和細(xì)胞成像。萃取法不需要經(jīng)過復(fù)雜的反應(yīng)過程就能快捷高效地得到碳點(diǎn)，但這種方法也有一定的局限性，即通過此法制得的碳點(diǎn)熒光產(chǎn)率普遍不高，而且并不是所有食品原料中都含有碳點(diǎn)，因此萃取法不具有通用性。

3 食品源碳點(diǎn)的理化性質(zhì)

3.1 結(jié)構(gòu)和組成

在結(jié)構(gòu)方面，食品源碳點(diǎn)由sp2雜化或sp3雜化的碳原子構(gòu)成，為直徑小于10 nm的準(zhǔn)球形顆粒，表面有大量的羥基、羧基等親水性官能團(tuán)。在組成方面，食品源碳點(diǎn)與普通碳點(diǎn)存在著一些區(qū)別，食品源碳點(diǎn)所含的元素可能會(huì)更豐富。碳點(diǎn)一般由C元素組成，或者人為添加含N、S等元素的化合物從而合成雜原子摻雜碳點(diǎn)。而大部分食品原料本身含有豐富的N、S等元素，因此不需要額外添加化合物就可以直接制得雜原子摻雜碳點(diǎn)[24]。不同來源的物質(zhì)制得的碳點(diǎn)存在較大的差異性，通過對(duì)碳點(diǎn)的表征，可以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和組成，為其性質(zhì)分析和應(yīng)用提供依據(jù)。高分辨透射電子顯微鏡可以用來測(cè)定碳點(diǎn)的形貌、尺寸和晶體結(jié)構(gòu);X射線衍射儀掃描碳點(diǎn)也可以得到其晶體結(jié)構(gòu);拉曼光譜可以表征碳點(diǎn)的分子結(jié)構(gòu);X射線光電子能譜可以用來表征碳點(diǎn)的元素組成及其價(jià)態(tài);紅外光譜可以用來分析碳點(diǎn)表面官能團(tuán)的種類和比例。

3.2 光學(xué)性質(zhì)

碳點(diǎn)作為一種新型的納米材料，其突出的熒光性質(zhì)備受科研人員的關(guān)注。熒光光譜可以表征碳點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)（激發(fā)光譜、發(fā)射光譜和熒光強(qiáng)度），食品源碳點(diǎn)在光學(xué)性質(zhì)方面具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）通常在紫外區(qū)域（270～320 nm）顯示出明顯的光吸收，經(jīng)過表面鈍化或合成條件調(diào)整后，吸收波長(zhǎng)移動(dòng)到可見光區(qū)域;2）具有激發(fā)波長(zhǎng)依賴性，即發(fā)射光譜隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增加而紅移，碳點(diǎn)的發(fā)射峰位置與激發(fā)波長(zhǎng)有關(guān);3）可以在單一的激發(fā)波長(zhǎng)下得到多個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)[2]，且激發(fā)波長(zhǎng)范圍較寬;4）光致發(fā)光強(qiáng)度高且光穩(wěn)定性良好，在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)激發(fā)后仍顯示穩(wěn)定的熒光發(fā)射強(qiáng)度，Wang Li等[47]以牛奶為原料經(jīng)水熱法制得的碳點(diǎn)在氙燈（365 nm）下連續(xù)激發(fā)3 h后光致發(fā)光強(qiáng)度幾乎沒有變化，甚至在4 ℃貯存6 個(gè)月后其熒光強(qiáng)度仍為原來的90%;5）某些碳點(diǎn)具有上轉(zhuǎn)換熒光性質(zhì)，即激發(fā)波長(zhǎng)比發(fā)射波長(zhǎng)長(zhǎng)的現(xiàn)象[13,59]，Yin Bangda等[37]以甜椒為原料制得的碳點(diǎn)在780～900 nm激發(fā)波長(zhǎng)下，發(fā)射波長(zhǎng)為400～600 nm;6）不同的原料、不同的合成路線、不同的合成條件（pH值、溫度、溶劑等）得到的碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度、發(fā)射光譜等光學(xué)性質(zhì)不同[60-61]。

3.3 生物毒性

碳點(diǎn)的低毒性使其成為了生物成像的理想材料，Song Yanchao等[62]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)金納米粒子、碲化鎘量子點(diǎn)和碳點(diǎn)3 種納米材料的毒性進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)與金納米離子、碲化鎘量子點(diǎn)相比，碳點(diǎn)具有更低的毒性、更好的生物相容性，而食物源碳點(diǎn)相比普通碳點(diǎn)，其低毒性、良好的生物相容性等性質(zhì)更顯著。比如，由檸檬酸合成的碳點(diǎn)在400 mg/mL的質(zhì)量濃度下僅顯示出較低毒性[11]，以玉米秸稈發(fā)酵后剩余的木質(zhì)素為原料合成的碳點(diǎn)，在質(zhì)量濃度達(dá)到800 mg/mL時(shí)仍具有良好的生物相容性[63]。

4 食品源碳點(diǎn)的應(yīng)用

碳點(diǎn)獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)使其可以與一些物質(zhì)發(fā)生共價(jià)鍵結(jié)合作用、靜電相互作用以及電子或能量的轉(zhuǎn)移作用，從而導(dǎo)致碳點(diǎn)出現(xiàn)熒光猝滅、增強(qiáng)等現(xiàn)象?；跓晒忖?、熒光增強(qiáng)、熒光猝滅再恢復(fù)、熒光猝滅后恢復(fù)再次猝滅等原理，碳點(diǎn)成為了良好的熒光探針。以下主要圍繞食品源碳點(diǎn)作為熒光探針在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)說明。

4.1 食品檢測(cè)

“民以食為天，食以安為先”，食品中的重金屬離子、農(nóng)獸藥殘留、食源性致病菌、不良添加劑等嚴(yán)重威脅著人們的飲食健康。因此，研究人員都在尋求新型有效的檢測(cè)方法。而食品源碳點(diǎn)作為熒光探針具有來源廣泛、制備簡(jiǎn)單、快速便捷、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，在食品分析與檢測(cè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

4.1.1 金屬離子檢測(cè)

由于人們的不當(dāng)行為污染了水源和土壤，使得金屬離子在動(dòng)植物體內(nèi)富集引發(fā)了食品質(zhì)量與安全問題。由于部分金屬離子不能夠被代謝排出，成為威脅人類健康的因素。目前，金屬離子檢測(cè)成為了食品安全檢測(cè)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，特別是針對(duì)重金屬離子的檢測(cè)。碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度對(duì)金屬離子很敏感，大部分金屬離子的檢測(cè)都是基于熒光猝滅現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)的。碳點(diǎn)作為熒光探針常被用于Fe3+、Hg2+、Cu2+、Co2+等金屬離子的檢測(cè)，具有檢出限低且線性范圍廣等明顯的優(yōu)勢(shì)。表3歸納總結(jié)了一些具有代表性的熒光探針，并列出了其檢測(cè)范圍和檢出限。雖然有許多研究表明碳點(diǎn)可快速準(zhǔn)確檢測(cè)金屬離子，但仍存在一些問題不能被明確解釋。比如，碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與檢測(cè)范圍或檢出限之間有什么關(guān)系，不同的金屬離子與表面基團(tuán)之間的相互作用是否存在著區(qū)別，摻雜其他原子后是否能提高碳點(diǎn)作為熒光探針的敏感性。這些問題都值得研究者們通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和探索去解答。

表 3 碳點(diǎn)作為熒光探針在金屬離子檢測(cè)中的應(yīng)用Table 3 Applications of carbon dots as fluorescent probes in metal ion detection

4.1.2 陰離子檢測(cè)

碳點(diǎn)除了可以作金屬離子的熒光探針外，還能夠用來檢測(cè)陰離子。Xu Jingyi等[64]報(bào)道了Fe3+可以將以馬鈴薯為原料制得的碳點(diǎn)的熒光猝滅，并證明熒光猝滅是由碳點(diǎn)和Fe3+（碳點(diǎn)-Fe3+）之間的作用引起的，通過添加PO43-可以恢復(fù)碳點(diǎn)-Fe3+復(fù)合物的熒光，即基于熒光猝滅再恢復(fù)的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)PO43-的檢測(cè)。Yin Bangda等[37]以甜椒為原料經(jīng)熱分解法制得的碳點(diǎn)可以作為檢測(cè)ClO-的熒光探針，實(shí)驗(yàn)證明NaClO會(huì)使碳點(diǎn)發(fā)生熒光猝滅，此過程中熒光的猝滅與碳點(diǎn)的表面氧化有關(guān)。加入50 μmol/L NaClO后，碳點(diǎn)的熒光猝滅率很高，而加入12 mmol/L的其他測(cè)試離子后，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度并沒有顯著下降。這些結(jié)果清楚地表明，食品源碳點(diǎn)可作為一種用于檢測(cè)次氯酸鹽的高分辨性熒光探針。

4.1.3 食品添加劑檢測(cè)

食品添加劑是現(xiàn)代食品工業(yè)的基礎(chǔ)，在食品加工過程中加入食品添加劑可以改善食品風(fēng)味、增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)取５鞘称诽砑觿┑臑E用也同樣嚴(yán)重威脅著食品安全。在尋求更高效、快速、便捷的檢測(cè)方法中，Xu Hua等[34]以蘆薈為原料制得的N-CNDs在紫外燈下發(fā)黃色熒光，可以應(yīng)用于檸檬黃的檢測(cè)。其熒光強(qiáng)度降低的程度與檸檬黃濃度呈線性關(guān)系，且線性范圍為0.25～32.5 μmol/L，并在市售的饅頭、蜂蜜、糖果等食品中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

4.1.4 致病菌檢測(cè)

食源性致病菌嚴(yán)重威脅著人們的飲食安全，食用或飲用受食源性致病菌污染的食品后，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致死亡。常規(guī)的微生物分離培養(yǎng)的時(shí)間周期較長(zhǎng)，因此需要尋找更加便捷的方法來快速準(zhǔn)確地檢測(cè)食品是否受到致病菌污染。Wang Ning等[31]詳細(xì)報(bào)道了以木瓜為原料經(jīng)水熱法制備食品源碳點(diǎn)的過程，得到了水溶性和醇溶性兩種碳點(diǎn)（W-CNDs、E-CNDs），均可以應(yīng)用于Fe3+的檢測(cè)。其中，W-CNDs還可以應(yīng)用于大腸桿菌（Eescherichia coliO157:H7）的檢測(cè)。E. coliO157:H7對(duì)W-CNDs的熒光強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)，檢出限為9.5×104CFU/mL，對(duì)相同濃度的E-CNDs則無明顯作用。此項(xiàng)研究為利用碳點(diǎn)檢測(cè)食源性病原菌提供了新的思路。

4.1.5 食品中的功能成分檢測(cè)

金屬離子與碳點(diǎn)發(fā)生靜電相互作用，可以使得碳點(diǎn)出現(xiàn)熒光猝滅現(xiàn)象。此時(shí)，加入一些金屬螯合劑，其與金屬離子發(fā)生螯合作用，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度則會(huì)逐漸恢復(fù)。基于熒光猝滅再恢復(fù)的原理，可以對(duì)食品中某些具有螯合能力的成分進(jìn)行檢測(cè)。Wang Qi等[49]以蛋殼膜為原料通過微波輔助法制得熒光量子產(chǎn)率為14%的碳點(diǎn)，并將其應(yīng)用于谷胱甘肽（glutathione，GSH）的檢測(cè)。如圖5所示，向碳點(diǎn)溶液中加入Cu2+后會(huì)發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象，然而，向含碳點(diǎn)和30 μmol/L Cu2+的混合物中加入150 μmol/L的GSH后，碳點(diǎn)恢復(fù)部分熒光。在最優(yōu)條件下，GSH的線性檢測(cè)范圍為0.5～80.0 μmol/L，檢出限為0.48 μmol/L。本實(shí)驗(yàn)室以雞蛋粉為原料合成了N、O、P摻雜的碳點(diǎn)，并將其應(yīng)用于卵白蛋白質(zhì)量濃度的檢測(cè)，線性檢測(cè)范圍為0.5～15 μg/mL，檢出限為153 ng/mL[65]。

圖 5 碳點(diǎn)在Cu2＋、GSH檢測(cè)中“熒光猝滅”和“熒光恢復(fù)”過程的示意圖[49]Fig. 5 Schematic diagram of the process of “turn off” and “off-on” of carbon dots in Cu2+ and glutathione detection[49]

Song Pei等[43]以紅茶為原料，通過水熱法制得的碳點(diǎn)可以作為分析多種物質(zhì)的熒光探針，并利用生化反應(yīng)中的反應(yīng)計(jì)量關(guān)系，開發(fā)了一套用于Fe3+、H2O2、葡萄糖定性定量分析檢測(cè)的系統(tǒng)。檢測(cè)葡萄糖的基本原理如下：Fe3+會(huì)使碳點(diǎn)發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象，但Fe2+則不會(huì)猝滅熒光;葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOx）氧化葡萄糖產(chǎn)生H2O2，在H2O2的氧化作用下，F(xiàn)e2+會(huì)轉(zhuǎn)變成Fe3+，從而使得碳點(diǎn)的熒光猝滅。所以，在碳點(diǎn)溶液中加入GOx和Fe2+后，如果碳點(diǎn)發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象，則表明被測(cè)樣品中含有葡萄糖（圖6）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，熒光猝滅率與葡萄糖濃度之間具有良好的線性關(guān)系，線性范圍為0.1～50.0 μmol/L，檢出限為1.71 μmol/L。

圖 6 碳點(diǎn)作為熒光探針在Fe3＋、H2O2、葡萄糖檢測(cè)過程中的示意圖[43]Fig. 6 Schematic diagram of the application of carbon dots as fluorescent probes in the detection of Fe3+, H2O2 and glucose[43]

碳點(diǎn)在食品分析與檢測(cè)領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用，但也存在一些值得研究者們關(guān)注的問題。比如，食品樣品具有復(fù)雜的化學(xué)和生物成分，而且不同的原料經(jīng)不同的途徑合成的碳點(diǎn)，在組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)上有很大的區(qū)別，對(duì)不同物質(zhì)的敏感性也有區(qū)別。因此，在不同的食品樣品的干擾下檢測(cè)某一特定成分更加困難，需要提高碳點(diǎn)作為熒光探針的響應(yīng)特異性;其次，某一特定物質(zhì)與碳點(diǎn)發(fā)生相互作用而構(gòu)成的熒光猝滅系統(tǒng)或熒光增強(qiáng)系統(tǒng)，需要更加準(zhǔn)確的定量關(guān)系。相信隨著分析方法和傳感器技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的不斷發(fā)展和應(yīng)用，碳點(diǎn)將在食品安全監(jiān)督和管理領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。

4.2 藥物檢測(cè)

碳點(diǎn)不僅可以作為食品領(lǐng)域的高選擇性熒光探針起到檢測(cè)與分析作用，還可以應(yīng)用于環(huán)境學(xué)、生物學(xué)、藥學(xué)等領(lǐng)域。Yan Zhengyu等[21]以淀粉為原料制得的碳點(diǎn)可以作為熒光探針來檢測(cè)化療藥物伊馬替尼。室溫條件下將不同質(zhì)量濃度的伊馬替尼加入到45 μg/mL的碳點(diǎn)溶液中，5 min后碳點(diǎn)出現(xiàn)熒光猝滅現(xiàn)象。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)熒光強(qiáng)度變化與伊馬替尼質(zhì)量濃度之間存在線性關(guān)系，且線性范圍為10～400 μg/mL，檢出限為2.4×10-3μg/mL。這些結(jié)果表明，食品源碳點(diǎn)或許可以應(yīng)用于其他藥物的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)。

4.3 生物成像

2007年，Cao Li等[66]將碳點(diǎn)成功地應(yīng)用于體外和體內(nèi)成像，這是碳點(diǎn)在生物成像領(lǐng)域的首次報(bào)道。在這個(gè)突破性的研究之后，科研者們利用不同原料制備碳點(diǎn)以提高生物成像的效率。相較于普通碳點(diǎn)，食品源碳點(diǎn)具有更加良好的生物相容性、優(yōu)異的光學(xué)穩(wěn)定性和低毒性，因此成為納米生物成像領(lǐng)域的理想材料。Kasibabu等[33]使用石榴作為原料，制備的食品源碳點(diǎn)可應(yīng)用于細(xì)菌（銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa））和真菌（鐮刀菌（Fusarium avenaceum））的細(xì)胞成像。Sahu等[26]通過水熱法處理橙汁制得的食品源碳點(diǎn)可以應(yīng)用于MG-63人骨肉瘤細(xì)胞的細(xì)胞成像，其低細(xì)胞毒性和與細(xì)胞的高效結(jié)合性，使該食品源碳點(diǎn)成為了用于細(xì)胞成像的優(yōu)良探針。圖7b～d分別顯示了在日光下、488 nm和405 nm激發(fā)波長(zhǎng)處經(jīng)碳點(diǎn)處理后的MG-63細(xì)胞的共聚焦圖像，清楚地顯示出細(xì)胞內(nèi)綠色熒光碳納米顆粒的聚集，并能明顯地觀察到細(xì)胞核區(qū)域。Wang Li等[47]以牛奶為原料制得的碳點(diǎn)可以用于人腦膠質(zhì)瘤（U87）細(xì)胞系的成像，當(dāng)碳點(diǎn)的質(zhì)量濃度增加到1 mg/mL時(shí)，仍對(duì)細(xì)胞沒有明顯的毒性作用。本實(shí)驗(yàn)室以卵白蛋白為原料通過水熱法制得了熒光量子產(chǎn)率高達(dá)34.5%的碳點(diǎn)，經(jīng)噻唑藍(lán)（methyl thiazolyl tetrazolium，MTT）和CCK-8等方法表明該碳點(diǎn)具有較高的生物安全性，可應(yīng)用于小鼠成骨細(xì)胞的成像[51]。綜上，食品源碳點(diǎn)的高光致發(fā)光性、良好生物相容性、高光學(xué)穩(wěn)定性和低毒性等優(yōu)點(diǎn)，使其很可能成為傳統(tǒng)染料的優(yōu)良替代品，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。

圖 7 MTT測(cè)定的細(xì)胞存活率和MG-63細(xì)胞[26]Fig. 7 Cell viability measured by methyl thiazolyl tetrazolium and observation of MG-63 cells with laser scanning confocal microscope[26]

4.4 催化

碳點(diǎn)的催化性質(zhì)在綠色化學(xué)、環(huán)境學(xué)、新能源等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。Li Haitao等[67]將葡萄糖水溶液經(jīng)超聲處理1 h后得到碳點(diǎn)，在堿性條件下加入CuSO4溶液和聚乙烯吡咯烷酮溶液，超聲過濾后得到碳點(diǎn)-Cu2O，該絡(luò)合物在紫外光或紅外光的照射下可以加速降解亞甲基藍(lán)。Zhu Chengzhou等[20]以豆?jié){為原料通過水熱法制得了N-碳點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)該N-碳點(diǎn)可以對(duì)氧化還原反應(yīng)有電催化作用，其中，氮的摻雜在提高碳點(diǎn)的催化活性過程中起到了關(guān)鍵作用。這些結(jié)果表明，碳點(diǎn)在光電領(lǐng)域作為催化劑具有廣闊的前景，研究者可以圍繞催化機(jī)制，在進(jìn)一步提高碳點(diǎn)的催化活性等方面繼續(xù)探索。

4.5 熒光油墨

目前已有很多熒光材料應(yīng)用于噴墨打印中，比如單壁碳納米管、熒光素和發(fā)光CdTe納米晶/聚合物復(fù)合材料等。Wang Jing等[50]為了保證最終所得碳點(diǎn)的低毒性和生物相容性，選擇雞蛋為原料制備碳點(diǎn)，利用熱解碳化的方法制得了蛋白、蛋黃兩種原料下的碳點(diǎn)，再將其與乙二醇混合得到熒光油墨，應(yīng)用于噴墨打印和絲網(wǎng)印刷，這是碳點(diǎn)作為熒光油墨在絲網(wǎng)印刷技術(shù)中的首次嘗試。該熒光油墨打印出的圖案清晰且在紫外燈下顯示出藍(lán)色熒光，而未來將會(huì)有更多的食品源碳點(diǎn)作為熒光油墨獲得更為廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié) 語

本文系統(tǒng)地歸納了合成碳點(diǎn)的食品原料，重點(diǎn)論述了食品源碳點(diǎn)的制備方法、結(jié)構(gòu)與組成、光學(xué)性質(zhì)和生物毒性，圍繞食品源碳點(diǎn)在食藥檢測(cè)、生物成像、催化、印刷油墨等方面的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。目前鮮有圍繞合成碳點(diǎn)的食品原料進(jìn)行展開的文獻(xiàn)綜述，本文彌補(bǔ)了這方面的空缺，有助于推進(jìn)食品原料在碳點(diǎn)合成領(lǐng)域的應(yīng)用。盡管研究人員在尋找綠色原料、探尋新的合成方法和應(yīng)用方面已取得很大的進(jìn)展，但碳點(diǎn)作為一種新型的熒光納米材料仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。首先，關(guān)于其基本的光致發(fā)光機(jī)制仍然難以解釋，還需進(jìn)一步地研究和闡明;其次，在原料選擇方面，綠色易得的原料成為碳點(diǎn)合成的研究熱點(diǎn)，研究人員可以進(jìn)一步地利用食品加工中的下腳料或其他更加廉價(jià)的生物源廢棄物，并注意對(duì)制備碳點(diǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物的綜合利用;目前碳點(diǎn)的制備及其應(yīng)用主要是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，如何優(yōu)化合成工藝以提高碳點(diǎn)應(yīng)用的重復(fù)性、穩(wěn)定性、特異性，從而投入工業(yè)化生產(chǎn)，也是研究人員將來努力探索的方向。