综述：用于食品安全的荧光探针：掺硫/氮的碳点用于检测食品中的麸质过敏原

《Microchemical Journal》：Fluorescent probes for food safety: sulfur/nitrogen-doped carbon dots for detection of gluten allergens in food

荧光纳米材料在食品中麸质检测中的应用及挑战

　　

Sobia Naseem|Muhammad Rizwan|Ayesha Sadiqa|Faisal Ali|Muhammad Rashid Zulfiqar|Awais Ahmad

巴基斯坦拉合尔工程技术大学聚合物与过程工程系

摘要

荧光纳米材料在食品安全监测中引起了广泛关注，因为它们具有高灵敏度、快速的光学响应以及与便携式分析平台的良好兼容性。在这些材料中，硫和氮共掺杂的碳点（S/N-CDs）由于其可调的发射特性、稳健的光稳定性以及丰富的表面功能化学性质，已成为多功能荧光探针。本文综述了S/N-CDs在食品基质中检测麸质过敏原方面的最新进展，包括其设计、合成和分析应用。文章明确了碳点的分类，区分了碳量子点与其他相关碳纳米结构（如石墨烯量子点和碳化聚合物点），后者通常表现出不同的结构和光物理特性。特别强调了荧光生成机制，包括量子限制、表面态发射和杂原子诱导的电子调制。此外，还讨论了用于检测麸质的传感机制，例如荧光淬灭、内部滤光效应、分子识别界面以及分子印迹聚合物（MIP）集成，并通过具体的食品检测案例进行了说明。将分析性能和检测策略与现有的麸质检测方法（包括免疫分析和色谱法）进行了比较，以突出其优势及当前局限性。最后，对选择性分子识别、荧光信号稳定性和基质效应等关键挑战进行了评估，并提出了未来发展方向，以推动基于碳点的麸质传感器向可靠、现场适用的食品安全监测工具发展。

引言

食品安全监测是现代食品生产中的核心要素，因为意外污染和过敏原暴露可能对易感消费者造成严重后果。在食品过敏原中，麸质尤其值得关注，因为它与乳糜泻、非乳糜泻性麸质敏感性和小麦过敏等疾病有关，这些疾病都需要严格的饮食管理[1]。这些疾病影响了全球相当一部分人口，长期避免含有麸质的成分是降低风险的关键。为了支持无麸质饮食，监管机构需要能够检测加工食品中微量麸质的分析方法[2]、[3]。国际法规（包括《食品法典》的相关规定）通常将麸质含量低于20 mg kg^?1的产品归类为无麸质[4]。然而，达到这一阈值并不容易，因为麸质蛋白在加工过程中可能会发生结构变化，并且由于交叉污染可能以微量存在，这些都使得可靠量化变得复杂[2]、[5]。

传统的麸质分析主要依赖于免疫化学和分子方法。酶联免疫吸附测定（ELISA）是官方控制实验室中最常用的方法，有完善的验证协议和R5、G12等单克隆抗体的支持。然而，检测性能受提取效率、热处理或酶处理过程中表位稳定性以及基质复杂性的影响，可能导致麸质水平被低估或高估[2]、[5]。聚合酶链反应（PCR）及相关DNA技术通过检测谷物DNA提供补充信息，特别适用于验证标签声明或识别隐藏的麸质来源。然而，这两种方法在应用于复杂或高度加工的基质时存在局限性：免疫分析在加热、发酵或酶处理后可能会影响表位的可及性，而PCR无法直接量化免疫毒性麸质肽，即使蛋白质水平很低也可能呈阳性[6]。基于液相色谱和质谱（LC–MS/MS）的高分辨率平台可以提供具有优异选择性的肽级信息，但这些方法需要复杂的仪器、繁琐的样品制备和熟练的操作人员，限制了其常规和现场应用[7]。快速侧向流动免疫分析提供了便携且低成本的筛查选项，但它们通常是定性的或半定量的，且难以在不同产品类型之间进行校准[8]。

荧光纳米材料作为化学和生物传感设备的构建块越来越受到关注，因为它们具有明亮的荧光、可调的发射特性、较大的表面积以及定制电子结构的机会[6]、[9]。特别是碳点，由于其强烈的光致发光性、良好的水溶性和较低的毒性，成为食品分析的有希望的探针。通过选择前体、合成条件和表面修饰策略，可以精细调节其光学和界面性质[10]。用氮和硫等杂原子掺杂碳点是一种有效的方法，可以调整电子构型并创建表面缺陷态，从而提高量子产率并引入化学活性位点[11]。硫/氮共掺杂的碳点（S/N-CDs）可以通过氢键、静电吸引和其他非共价力与生物分子相互作用，使其成为在复杂食品基质中检测麸质衍生肽的理想候选者[12]。

尽管有许多关于掺杂碳点用于检测霉菌毒素、重金属和农药残留物的报告，但关于其在麸质过敏原检测中的系统讨论仍然有限[11]、[13]、[14]。因此，本文重点关注硫和氮共掺杂的碳点作为食品系统中监测麸质污染的荧光探针。我们总结了S/N-CDs合成方法、光致发光机制和传感策略的最新进展，并将其分析性能与现有的麸质检测方法进行了比较。通过将纳米材料化学的发展与食品安全法规的要求相结合，本文强调了提高基于荧光的麸质传感灵敏度和选择性的新设计原则。讨论还指出了关键挑战，如基质效应、信号稳定性和标准化问题，这些问题必须在基于S/N-CD的传感器被可靠地应用于常规麸质控制之前得到解决。

碳量子点（CDs）

碳量子点（CDs）是纳米级的碳基材料，具有独特的光学和电子特性，因此在生物传感及相关应用中引起了广泛关注[15]。在文献中，“碳点”一词用于指代一系列零维碳基纳米结构，其典型直径低于约10纳米，尽管这一术语并不总是统一使用。在更严格的分类中，碳量子点（CQDs）是

使用S-CDs检测麸质的机制

S/N-CD基探针检测麸质的机制（见图4）与纳米材料内部产生的荧光不同，而是基于麸质与CD表面或附近区域的相互作用扰动了发射环境。在这些传感系统中，分析信号源于麸质肽与CD上的功能团或周围识别层相互作用时引起的荧光强度、波长或寿命的变化

加工食品中的检测

面包、意大利面和烘焙产品等加工食品由于其复杂的基质（通常含有蛋白质、脂质和碳水化合物）给食品安全监测带来了独特挑战，这些成分可能会干扰病原体的检测（见图7a）[120]。传统的微生物培养方法速度较慢，常常无法检测到低水平的污染物，而基于纳米技术的传感器能够快速、灵敏地检测小麦和烘焙产品中的E. coli、Salmonella和Listeria等病原体。

新兴趋势

生物传感器是将生物识别元件与换能器结合在一起以产生可测量信号的分析设备，包括电化学、光学和压电平台。相比之下，多重检测方法能够在单个样本中同时检测多种分析物。尽管多重检测功能可以集成到生物传感器平台中，但这两类概念上是不同的。修订后的手稿讨论了这些

挑战与未来展望

尽管在S/N-CDs的合成和应用方面取得了显著进展，但在这些探针能够广泛用于常规麸质监测之前，仍需克服几个障碍[21]。一个核心挑战是在加工食品基质中存在其他蛋白质、多糖和添加剂的情况下，实现对麸质肽的高度分子选择性，因为这些物质可能会竞争结合位点或产生背景信号[34]。许多当前的传感器仍然

结论

荧光探针，特别是硫/氮共掺杂的碳点（S, N-CDs），由于其优异的光学性质、高灵敏度和选择性，已成为检测食品中麸质过敏原的有希望的工具。硫和氮的掺入增强了荧光强度和稳定性，通过与麸质肽序列的特异性相互作用实现了精确的识别。光谱和显微分析证实了成功的掺杂效果，从而提高了检测准确性

CRediT作者贡献声明

Sobia Naseem：撰写——初稿，监督，正式分析，数据管理，概念构思。Muhammad Rizwan：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，数据管理，概念构思。Ayesha Sadiqa：概念构思。Faisal Ali：概念构思。Muhammad Rashid Zulfiqar：概念构思。Awais Ahmad：概念构思。

未引用的参考文献

[94], [95]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

衷心感谢作者、编辑和审稿人在确保论文符合标准方面所做的贡献。同时，也非常感谢拉合尔工程技术大学的化学系和聚合物与过程工程系以及拉合尔大学的化学系对这项宝贵综述的支持。