综述：可持续碳量子点：用于食品安全的绿色合成方法、光物理特性及先进传感架构

《Sensors and Actuators A: Physical》：Sustainable Carbon Quantum Dots: Green Synthesis, Photophysics, and Advanced Sensing Architectures for Food Safety

　　•可持续的生物质衍生碳量子点为食品安全检测提供了环保的解决方案。•对不同的光致发光机制进行了深入评估与比较。•碳量子点与金属有机框架、分子印迹聚合物以及等离子体杂化结构具有互补的检测优势。•对比分析凸显了这些技术在检测性能、选择性以及实际样品应用方面的优势。•未来的发展前景包括结合智能手机、物联网以及人工智能的食品监测系统。

引言
在现代供应链日益复杂、农业生产受气候影响波动加大，以及化学和微生物污染事件频发的背景下，确保食品的安全性、真实性与质量已成为全球面临的紧迫挑战。重金属、农药残留、兽药、合成染料、掺假物、微生物病原体以及生化变质标志物等，都是威胁公共健康与贸易安全的重大因素。众多研究指出，铅离子、汞离子、镉离子、铬(VI)等有害污染物在食品与环境样本中会持续存在并积累，因此人们致力于开发针对这类物质的传感器[5][6][7]。此外，氯霉素、四环素、马拉硫磷、多菌灵和拟除虫菊酯等农药及兽药的广泛使用，也引发了相关的监管与毒理学问题[8][9][10]。酒石黄、三聚氰胺、姜黄素和胭脂红等食品添加剂、染料及掺假物同样是需要灵敏检测的有害物质[11][12][13]。大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌等微生物病原体，以及流感病毒、寨卡病毒等病毒抗原，也带来了额外的风险，亟需快速、可现场使用的监测工具[14][15][16]。所有这些挑战都凸显出建立强大、快速且可靠的食品安全监测平台的全球性需求。

传统的分析技术，如色谱法、质谱法和免疫分析法，虽然精度较高，但因其操作复杂、分析时间长，且依赖昂贵且集中的实验室设施，存在诸多限制[17][18][19]。多项关于传感器研发的研究表明，样品预处理、基质干扰以及仪器的可获取性，都是阻碍大规模食品安全监测发展的主要障碍[15][20][21]。这些局限性使得连续性和现场检测变得困难，尤其是在那些食品污染风险较高的农村或资源匮乏地区。因此，在现代食品安全管理中，开发便携、经济且易于使用的检测技术已变得极为重要。

在此背景下，碳量子点作为一种极具潜力的光学与电化学纳米材料，被广泛应用于实时食品安全监测。它们具备可调光致发光特性、优异的水分散性、高化学稳定性以及易于表面功能化等优点，因而能够有效检测多种污染物[18][22]。基于碳量子点的系统通过荧光淬灭、比率发射、福斯特共振能量转移、内滤效应以及光诱导电子转移等多种机制，实现了对金属离子、农药兽药、食品添加剂与染料、以及微生物病原体的高选择性检测[23][24][25][26][27][28][12][13][29][16]。多项关于碳量子点在食品安全领域应用的研究进一步证明了其多功能性以及该领域的快速发展势头[15][21]。

推动碳量子点研究快速发展的一个重要因素，是全球向可持续纳米材料的转型趋势。水果皮、农业废弃物、壳聚糖、木质纤维素纤维以及食品残渣等生物质来源的碳源，有助于实现符合循环经济理念的绿色生产方式。本综述所涉及的诸多研究都表明，生物质衍生的碳量子点在检测金属离子、染料、抗氧化剂及微生物污染物方面具有显著效果，例如利用橙皮碳量子点检测大肠杆菌[16]，利用木聚糖衍生物碳量子点检测单宁酸[30]，以及利用生物质S,N-碳量子点检测银离子[31]。这类方法不仅降低了合成成本，还将低价值的农业废弃物转化为高性能的检测材料，有助于实现全球可持续发展目标。这种循环利用的理念与新兴的环保型分析纳米技术理念高度契合[32][33][34]。

本综述旨在从机制层面并结合可持续性视角，全面探讨碳量子点如何改变现代食品安全监测方式，并辅以近期实验进展的详细引用。其与以往综述的不同之处在于，它不仅关注合成方法或单一检测应用，还深入分析了绿色生物质衍生碳量子点的制备过程、光物理机制、各种杂化结构（碳量子点与金属有机框架、分子印迹聚合物及等离子体系统的结合），以及在实际食品安全中的应用，同时还涵盖了新兴的智能手机/物联网辅助检测技术。此外，它还指出了前驱体异质性、机制不确定性、标准化及商业化等方面尚未解决的难题，为未来的研究与实际应用提供了全面的框架。

章节节选
碳量子点的绿色合成策略
为寻求可持续的纳米材料，人们在碳量子点的绿色合成途径上取得了诸多创新成果。那些注重降低能耗、减少化学品使用，并能与生物质前驱体相兼容的合成方法，在食品安全检测领域得到了广泛应用。根据相关文献，水热法、微波辅助法、热解法以及生物生成法都具有巨大潜力，尤其是当这些方法与橙皮等可再生原料结合使用时。

光物理性质与结构-性能关系
了解碳量子点的光物理行为对于优化其在荧光、电化学及光电化学食品安全检测中的应用至关重要。它们的光学特性源于碳核结构、石墨化区域大小、表面官能团以及杂原子掺杂等多种因素，而这些因素又深受前驱体化学性质及绿色合成条件的影响。正如有关碳量子点检测平台的研究所指出的那样[15][20]……

基于荧光的碳量子点检测机制
由于碳量子点具有可调的发射光谱、较强的光稳定性，且能与水性食品基质相容，因此基于荧光的检测方法是其最常用的分析手段之一。根据相关文献，碳量子点可通过多种光致发光调控机制，作为敏感探针用于检测金属离子、农药、兽药、染料、掺假物、抗氧化剂、亚硝酸盐以及微生物污染物[77][78][79]……这些机制包括……

电化学与光电化学检测
电化学与光电化学检测已成为强大的食品安全分析工具，而引入碳量子点则进一步提升了它们的检测能力。凭借其可调的电子结构、丰富的表面官能团、杂原子掺杂以及快速传质的能力，碳量子点能够在多种电极结构中提升导电性与光活性[96][97][98][99]。正如相关研究所示，碳量子点可作为导电改性剂使用……

混合式智能传感器架构
将碳量子点与金属有机框架、分子印迹聚合物、金属纳米粒子以及多功能纳米结构相结合的混合架构，代表了食品安全检测领域的重大进步。这类智能系统融合了碳量子点可调的光物理特性，以及单一组分材料所不具备的结构、催化和选择性识别功能。相关研究中的多个实例表明，这类混合碳量子点平台不仅能提升检测性能……

食品安全检测应用
碳量子点及其衍生混合材料已被广泛用于检测各类食品基质中的化学污染物、生物污染物以及与新鲜度相关的物质。它们具备可调的荧光特性、丰富的表面化学性质，且能与电化学和光电化学检测平台相兼容，因此具有极高的检测灵敏度、选择性和便携性[108][109][110]。相关研究证实，这类材料在检测重金属、农药、兽药、食品染料、掺假物、微生物病原体等方面具有实用价值……

融入智能数字化食品安全系统
将碳量子点融入智能数字化食品安全系统，是迈向实时、分散式且用户友好型污染监测的重要一步。随着食品行业日益数字化，凭借其强发光性、快速响应能力和高稳定性的特点，基于碳量子点的检测平台非常适合与便携电子设备、物联网框架以及智能包装技术相结合。相关综述指出……

挑战、局限与未来展望
尽管碳量子点在食品安全检测领域不断取得进展，但仍面临诸多挑战，包括前驱体异质性、机制不确定性、基质干扰、制造限制以及监管问题等。由水果皮、虾壳、木聚糖及其他天然残留物合成的生物质衍生碳量子点[16][30][46]虽然具有可持续性优势，但其生化组成存在差异，导致其尺寸等方面存在波动……

结论
碳量子点这一快速发展的领域，通过可持续的合成方法、可调的光物理特性以及先进的检测架构，展现出在变革食品安全监测方面巨大的潜力。根据相关研究，由农业、海洋及食品加工废弃物制成的生物质衍生碳量子点，具有强烈的荧光性、多样的表面化学性质以及天然的杂原子富集特性，因此能够高效检测重金属……

资金声明
无资金支持

作者贡献说明
Nodirjon Tursunov：软件、资源、项目管理。Bobirmirzo Khasanov：软件、资源。Elyor Berdimurodov：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、验证。Mansur Radjabov：资源、项目管理、方法学。Bakhtiyor Borikhonov：写作——初稿撰写、可视化、验证。Natarajan Elangovan：资源、项目管理、方法学。Rasulbek Eshmetov：验证、监督、软件。Valentine Chikaodili：软件、资源。

利益冲突声明
不存在任何利益冲突。

利益竞争声明
作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。Elyor Berdimurodov是乌兹别克斯坦国立大学化学系的教授，他的研究兴趣包括电化学、腐蚀科学、纳米材料、分子建模、量子化学，以及用于环境和食品安全领域的先进检测技术。

Elyor Berdimurodov|Khasan Berdimuradov|Fotima Sobirova|Alisher Ishankulov|Kamila Rashidova|Valentine Chikaodili|Natarajan Elangovan|Rasulbek Eshmetov|Mansur Radjabov|Bakhtiyor Borikhonov|Nodirjon Tursunov|Bobirmirzo Khasanov