李延琪, 王 昱, 馮 亮

(1. 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所, 中國科學(xué)院分離分析化學(xué)重點實驗室, 遼寧 大連 116023; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

食品安全問題已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點話題。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,在當前食品溯源檢測體系中,色譜檢測技術(shù)僅能保證食品在加工或銷售過程中的抽樣質(zhì)量監(jiān)測而較難以實現(xiàn)每個環(huán)節(jié)的跟蹤式檢測。因此,要構(gòu)建新型全鏈覆蓋式食品可追溯體系,就需要對相關(guān)的快檢技術(shù)進行補充?；诒壬珎鞲性淼目鞕z設(shè)備,由于成本低廉、選擇性好、操作簡便等優(yōu)點,非常適合應(yīng)用于新型食品安全溯源體系的構(gòu)建[4]。近年來隨著分析化學(xué)及材料化學(xué)的飛速發(fā)展,數(shù)以千計的可應(yīng)用于比色傳感的新型材料和新方法陸續(xù)被開發(fā)出來。在眾多新型比色傳感材料中,碳點由于制備周期短、材料來源廣泛,且具有相對較高的量子產(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)點而備受關(guān)注[5]。這些特殊的性質(zhì)使碳點相比于金屬納米材料、生物酶以及傳統(tǒng)有機染料等,更適用于構(gòu)建新型比色傳感器并應(yīng)用到食品安全檢測中[6]。

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

近年來,基于碳點的熒光比色傳感器的文獻報道快速增長(見圖1),設(shè)計和開發(fā)新型碳點熒光傳感器是當下的熱點工作之一[7]。原始碳點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的種類十分有限(主要為羧基、羥基、醛基等含氧官能團),因此未經(jīng)功能化的碳點選擇性和靈敏度較差[8]。如何有針對性地實現(xiàn)碳點的功能化修飾,是開發(fā)新型碳點傳感器的核心部分[7]。

本文主要介紹了近年來碳點功能化修飾的研究進展和功能化碳點在食品安全檢測領(lǐng)域的應(yīng)用,并展望了開發(fā)基于功能化碳點的食品安全快檢設(shè)備的應(yīng)用前景。

1 碳點的功能化

原始碳點(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]。功能化修飾是碳點傳感性質(zhì)拓展并增強的關(guān)鍵方法。目前,碳點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)用于無機半導(dǎo)體材料的研究中[9]。目前在碳點摻雜改性中使用最為廣泛的摻雜物為氮、硫、硼、磷等雜原子(見圖2)[10],金屬離子摻雜的相關(guān)文獻報道也逐漸增加。由于前驅(qū)物種類和制備方法的多樣性,碳點的結(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內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。因此本文將著重以碳點摻雜改性為主,對碳點表面修飾方面的研究僅作簡略的介紹。

1.1 碳點的摻雜

1.1.1 氮原子摻雜碳點

氮原子具有較高的電負性,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米(Femi)能級發(fā)生移動,從而導(dǎo)致其熒光強度增強。類似的現(xiàn)象在氮摻雜碳點的工作中也多有報道[5]。同時,碳點熒光增強的程度會隨著氮摻雜含量的增加而提高。

圖 2 不同溫度下碳點熒光中心的形成機制[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,研究者們還通過將大尺寸的含氮物質(zhì)通過切割、刻蝕、水熱等方法來制備氮摻雜碳點。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)量分數(shù)>9% )的碳點,并將產(chǎn)物通過毛細電泳分離得到多個組分。所得各組分碳點的直徑從20 nm到800 nm不等,并且碳點直徑的大小與發(fā)射波長有一定的關(guān)系。這與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點的量子限域效應(yīng)極為相似。Liu等[33]通過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。DMF在高于沸點時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)氧官能團通過親和開環(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,又可實現(xiàn)對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摻雜修飾方法。據(jù)文獻報道,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,從而增強石墨烯片的熒光強度[40]。同時,硫摻雜能夠使這些雜原子包含在碳結(jié)構(gòu)的邊緣以及碳點表面的官能團中(噻吩硫以及氧化的硫)[41],使碳點表面在引入含硫活性位點外,還產(chǎn)生了額外的能級,進而增強了邊緣(表面)輻射態(tài)的熒光強度。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,從而增強碳點的電子轉(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的熒光量子產(chǎn)率。硫摻雜碳點的代表性前驅(qū)物是巰基氨基酸、過硫酸鈉及硫代蘋果酸。

磷摻雜也是使用較多的碳點摻雜修飾方法。據(jù)Shi等[36]報道,摻雜磷元素后,碳點的熒光量子產(chǎn)率得到了明顯的提升。碳點在摻雜磷后表面會形成更多的sp2碳簇,而碳簇數(shù)量的增多提高了碳點的熒光量子產(chǎn)率[43]。同時,由于磷原子的引入,在碳點的固有能帶中形成了新的缺陷,進一步提升了磷摻雜碳點的熒光量子產(chǎn)率。這一推論也被用于解釋硅摻雜所引起的碳點熒光增強的現(xiàn)象。Zou等[44]認為硅摻雜碳點的高熒光量子產(chǎn)率來源于碳點表面硅官能團引入后所形成的有助于增強碳點激子輻射復(fù)合的新表面態(tài)。Barman等[45]通過對比磷摻雜和硼摻雜的碳點發(fā)現(xiàn),磷摻雜為n型摻雜,有助于碳點的激子進行輻射弛豫,從而使得磷摻雜碳點的熒光量子產(chǎn)率提高。而硼摻雜則屬于p型摻雜,p型摻雜增加了碳點內(nèi)部激子的非輻射弛豫,從而導(dǎo)致產(chǎn)物碳點的熒光量子產(chǎn)率降低。目前,硼摻雜碳點的熒光量子產(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作為新型熒光材料的特點之一,但金屬摻雜能夠賦予碳點許多新的性質(zhì)。不同金屬離子具有不同的外層電子軌道,且價態(tài)變化多樣,使得金屬摻雜碳點具有多種多樣的光學(xué)及傳感性質(zhì)。目前,在碳點修飾中已經(jīng)實現(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,金屬摻雜的碳點骨架中多有含氮結(jié)構(gòu)作為金屬摻雜物的結(jié)合位點。

錳是最早應(yīng)用于半導(dǎo)體量子點摻雜的金屬之一[56]。近期,Wang等[57]使用金屬指示劑1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚(PAN)與氯化錳通過一步溶劑水熱法制備了一種錳摻雜碳點。通過表面增強拉曼光譜和紅外光譜分析發(fā)現(xiàn),錳摻雜碳點中存在著類似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。通過與未摻雜碳點(僅用PAN做前驅(qū)物制備合成)的熒光光譜對比發(fā)現(xiàn),錳摻雜碳點的發(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,通過構(gòu)建三維熒光結(jié)構(gòu)圖,揭示了該類功能化碳點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,即碳點顆粒內(nèi)熒光能量共振轉(zhuǎn)移系統(tǒng),且該系統(tǒng)對所處分散體系的極性十分敏感。

其他金屬摻雜的碳點也多有文獻報道。例如將Gd作為摻雜金屬,碳點作為載體制備得到的碳點可用于解決目前含Gd的MRI造影劑強生物毒性的問題。將Gd摻雜入碳點后,其因游離Gd造成的生物毒性大幅降低,摻雜的碳點靶向性更好,光學(xué)性質(zhì)相較于含Gd的傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點或有機熒光探針也更為出色。在小鼠實驗中,Gd摻雜碳點在注射后能很快經(jīng)膀胱排出生物體外。同時,小鼠尿液的分析結(jié)果也表明在排出的尿液中沒有游離的Gd,證明了Gd摻雜碳點在造影及代謝過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)用價值[58]。銅摻雜也是常見的碳點金屬摻雜改性方法之一。Wu等[59]通過煅燒Na2[Cu(EDTA)]制備了銅摻雜碳點。通過實驗發(fā)現(xiàn),不同的煅燒溫度對產(chǎn)物碳點中的銅含量及價態(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產(chǎn)物的光催化效能和電導(dǎo)率。通過與未摻雜銅的碳點(EDTA碳點)進行對比試驗,發(fā)現(xiàn)Cu-N結(jié)構(gòu)可以極大程度地提高碳點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溶劑熱反應(yīng)制備了具有橙黃色熒光的鋅摻雜碳點,其最大發(fā)射波長紅移至580 nm并表現(xiàn)出激發(fā)不依賴的熒光特點。這是由于Zn摻雜在碳點能帶中引入了新的能級,從而形成更多表面位點,使摻雜碳點的發(fā)射光譜發(fā)生紅移。

1.2 碳點的表面修飾

碳點表面豐富且相對簡單的官能結(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:即共價修飾和非共價修飾(見圖3)[60]。原始碳點的表面含有大量羧基,因此,酰胺耦合和酯化是碳點表面修飾常用的方法。對于氮摻雜的碳點,其表面的氨基結(jié)構(gòu)也是酰胺耦合能夠成為該類碳點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)是碳點表面修飾酰胺耦合反應(yīng)中常用的羧基活化劑。非共價修飾原理則主要包括:1)π-π堆積效應(yīng),如碳點/石墨烯、碳點/葡萄糖、碳點/DNA等體系的構(gòu)建;2)絡(luò)合作用,例如碳點與金屬離子、金屬納米顆粒的結(jié)合改性;3)靜電吸引,例如碳點與功能性小分子、適配體、酶等等的結(jié)合。

2 碳點在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用

食品安全問題主要源于化學(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,碳點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。文獻已報道的碳點熒光傳感器,根據(jù)其檢測原理的不同可分為熒光淬滅和熒光增強(或恢復(fù))兩大類。下面將根據(jù)檢測對象的分類來進行介紹。

圖 3 碳點表面修飾[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至關(guān)重要。汞離子由于具有很強的神經(jīng)毒性,是食品重金屬檢測,尤其是水產(chǎn)品質(zhì)量檢測中重要的檢測物之一。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),開發(fā)了一種基于氮硫共摻雜的碳點(NSCDs),并將其用于汞離子快速檢測試紙的制作。該檢測試紙可應(yīng)用于汞離子、氰根離子以及氫硫酸根離子的快速檢測。水溶液中的Hg2+離子可與NSCDs表面的紅氨酸殘基絡(luò)合,使碳點熒光發(fā)生淬滅。這一過程對汞離子表現(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則發(fā)生顯著的顏色變化。吡啶-2,6-二羧酸與汞離子有強結(jié)合力,利用吡啶-2,6-二羧酸制備的可用于快速測定汞離子的功能化碳點傳感器,實現(xiàn)了其對人體尿液中汞含量的快速測定,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也對汞離子表現(xiàn)出較好的選擇性,其選擇性則可能來自于汞離子誘導(dǎo)的內(nèi)酰胺開環(huán)反應(yīng)以及碳點激發(fā)態(tài)電子向汞離子d軌道的轉(zhuǎn)移[63]。針對水產(chǎn)品中的鉻離子污染問題,Zhang等[51]利用金屬摻雜碳點獨特的顆粒內(nèi)熒光能量共振轉(zhuǎn)移性質(zhì),制備合成了一種檢測Cr(Ⅵ)的碳點用于水產(chǎn)品中鉻離子的快速檢測。水產(chǎn)品樣品中存在的Cr(Ⅵ)會影響該碳點表面的熒光轉(zhuǎn)移,使其表面態(tài)熒光強度減弱,而摻雜的金屬離子對其熒光強度幾乎沒有影響。此外,Zhang等[64]利用檸檬酸和PEG-二胺制備的氮摻雜碳點對鐵離子表現(xiàn)出良好的選擇性,其Fe3+線性檢測區(qū)間為0.01 μmol/L 到500 μmol/L,檢出限為2.5 nmol/L。作者通過模擬計算發(fā)現(xiàn)三價鐵與酚羥基復(fù)合物的能級差要小于碳點自身的帶隙。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。未摻雜碳點也同樣具有相同的Fe3+熒光淬滅機理,但是氮摻雜后碳點的電子和化學(xué)特征發(fā)生了變化,使碳點的酚羥基與Fe3+更易形成復(fù)合物,從而提高了碳氮對Fe3+的靈敏度。目前,基于碳點的化學(xué)傳感器已經(jīng)實現(xiàn)了對Cu2+、Zn2+、Ag+、Al3+、Pb2+、Cr2+、Mn2+、Cd2+等重金屬離子的定量檢測[65]。

圖 4 基于氮硫摻雜碳點的Hg2+、CN-及HS-離子檢測[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)殘檢測中的功能化碳點傳感器主要為碳點與酶、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,從而使淬滅的碳點熒光恢復(fù),達到對多種有機磷類農(nóng)藥的快速檢測。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,使淬滅的碳點熒光恢復(fù),達到對甲基對硫磷農(nóng)殘的快速檢測。同樣,基于酶催化抑制原理,金屬離子@碳點復(fù)合結(jié)構(gòu)的碳點傳感器也已實現(xiàn)了對馬拉硫磷[70]和敵敵畏的快速檢測[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,也能通過熒光能量共振轉(zhuǎn)移(FRET)或內(nèi)濾效應(yīng)(IFE)等機制引入到基于碳點的農(nóng)殘檢測中[72]。

2.3 抗生素及獸藥

利用碳點傳感器檢測抗生素及獸藥的工作也多有文獻報道?；谔键c熒光傳感器的抗生素檢測機理主要有兩種。一種是通過碳點直接與抗生素相互作用,使其熒光淬滅檢測。熒光淬滅機理源于碳點產(chǎn)生的激子被碳點@抗生素復(fù)合物中新形成的能級所捕獲。利用這類碳點傳感器實現(xiàn)了對土霉素、金霉素、強力霉素等四環(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,但此類碳點傳感器的選擇性往往較差。另一種則是利用抗生素與碳點@金屬復(fù)合物之間發(fā)生相互作用來實現(xiàn)高選擇性的傳感檢測。Qu等[77]利用四環(huán)素與Al3+之間的螯合作用,抑制了Al3+與碳點之間的熒光增強效應(yīng),從而實現(xiàn)了碳點對四環(huán)素的高選擇性檢測。此外,碳點@Fe3+體系也被報道用于定量檢測肉中土霉素的殘留量[78]。

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

2.4 細菌

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

Wang等[82]報道了一種典型的基于適配體修飾的復(fù)合型碳點傳感器,該傳感器可識別傷寒沙門氏菌表面的一種特定膜蛋白,根據(jù)溶液的熒光強度定量檢測鼠傷寒沙門氏菌的濃度。利用類似的原理,經(jīng)甘露糖[83]、黏菌素[84]、阿米卡星[85]等修飾的碳點,以及經(jīng)抗體@有機硅納米顆粒修飾的碳點,分別成功用于定量檢測大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的含量[86]。此外,碳點在細菌表面團聚所發(fā)生的熒光淬滅效應(yīng)也可被用于細菌的定量檢測[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中,如維生素[88]、氨基酸和蛋白質(zhì)[89]、糖類[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。其檢測原理同樣是基于碳點與金屬離子、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。碳點的熒光強度與被分析物濃度之間的線性關(guān)系是其實現(xiàn)的定量檢測的根本。碳點作為一個良好的光學(xué)信號體在適當?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)過近10年的研究,碳點作為新型光學(xué)傳感材料在眾多領(lǐng)域中的重要性日益顯著。碳點由于其制備方法簡單、成本低廉、抗光漂白性及化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢,在食品安全快速檢測領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過摻雜或修飾后,功能化的碳點具有靶向性識別食品中重金屬、農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、細菌以及添加劑的能力。因此,對碳點進行有針對性的摻雜及修飾是設(shè)計碳點熒光傳感器的核心內(nèi)容。

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

在食品安全問題日益嚴重的當下,色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)作為標準實驗室方法,由于檢測通量及費用等問題暫無法滿足食品從種植到餐桌這一過程中的全鏈覆蓋式檢測需求。因此,開發(fā)新型的快檢設(shè)備是實現(xiàn)全鏈覆蓋式食品溯源檢測體系的重要手段。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。開發(fā)基于功能化碳點的新型食品安全快速檢測設(shè)備也將是碳點傳感器領(lǐng)域的一個重要方向。相信在不久的將來,應(yīng)用功能化碳點熒光傳感器的食品安全快檢設(shè)備能夠設(shè)計完成并實現(xiàn)應(yīng)用。