综述：利用生物质衍生碳量子点的下一代荧光与电化学传感器

《Food Chemistry》：Next-generation fluorescent and electrochemical sensors using biomass-derived CQDs

　　

摘要
确保复杂供应链中的食品安全，需要快速、灵敏且可在现场部署的方法，以在真实食品基质中检测化学污染物、微生物危害和腐败指示物。生物基碳量子点（B-CQDs）凭借其可调谐的光致发光特性、丰富的表面官能团、生物相容性以及低成本合成兼容性，提供了一个可持续的传感平台。与主要关注合成或荧光检测的综述不同，本综述建立了一个集成的结构-性质-性能框架，将生物基前驱物组成、杂原子掺杂、表面化学和杂化架构与荧光、电化学和光电化学传感机理联系起来。对重金属、农药、兽药、合成染料、掺假物、病原体和新鲜度标记物的应用进行了批判性比较，同时探讨了CQD-MOF、CQD-MIP和CQD-金属纳米复合材料的构建及其与智能手机、物联网设备和智能包装的集成。分析得出三个主要结论：第一，传感性能更多受可控表面状态和识别界面的影响，而非单纯取决于生物基来源。第二，杂化和比率型架构可以通过互补识别和内部参考机制提高选择性、信号可靠性和基质耐受性，但这些优势取决于传感器设计，并可能伴随着制造复杂性的增加。第三，实际部署的主要障碍不再是分析灵敏度，而是批次重现性、机理不确定性、复杂食品中的验证以及法规合规性。因此，未来的进展需要标准化合成和表征方案、迁移和毒性评估，以及基于数据的前驱物-结构-信号关系优化。这些见解为将B-CQD传感器从实验室演示转化为可重复、智能和可持续的食品安全监测系统提供了实用路线图。

引言
确保日益复杂的全球供应链中食品的安全和质量，构成了重大的科学技术挑战。重金属、农药残留、兽药、合成染料、掺假物、病原微生物和生化腐败标记物的污染已被广泛报道，既威胁公共卫生，又导致重大经济损失。生物基碳量子点（B-CQDs）已被用于检测Pb2+（Li等，2020）、Hg2+（Li等，2015；Zhang & Chen，2014）、Cu2+（Liu等，2023）、Cd2+（Liu等，2023）和Fe3+（Kainth等，2023）等重金属；四环素（Li等，2018）、氯霉素（Dong等，2020）、马拉硫磷和多菌灵（Shirani等，2021；Tao等，2020）等农药和兽药；柠黄色素、苏丹红和姜黄素等合成染料（Li等，2022；Wang, Tan, & Chen，2018；Yu等，2020）；三聚氰胺和胭脂虫红等食品掺假物（Anmei等，2018；Dai等，2014；Zhou等，2018）；以及挥发性胺、硫化合物、亚硝酸盐和抗氧化剂等腐败相关化合物（Song等，2024；Sun等，2023）。色谱和质谱等传统分析方法虽然精度高，但成本高、耗时长，不适合快速现场监测，突显了便携式、低成本、高灵敏度传感平台在复杂食品系统中进行实时检测的需求（Abu等，2023；Achadu等，2020；Ahmed等，2023）。

碳量子点（CQDs）——直径<10 nm的类球形碳纳米材料，具有丰富的表面官能团——已成为光学、电化学和光电化学传感的有前景的候选材料。其强而可调谐的荧光实现了荧光猝灭/增强（Li等，2022；Shirani等，2021；Tao等，2020）、F?rster共振能量转移（FRET）（Choi等，2018；Roh等，2019）、内滤光效应（IFE）（Deka等，2019；Li等，2021）和光诱导电子转移（PET）（Muthusankar等，2019；Yang等，2018；Yang等，2019）等机制。此外，其表面化学和石墨化区域支持在金属离子和药物检测中实现电化学氧化还原放大（Bera等，2021；Sistani & Shekarchizadeh，2021；Velmurugan等，2024），以及在高级异质结构中进行光电化学（PEC）信号转导（Ou等，2022；Yang等，2024）。因此，基于CQDs的平台已被应用于高灵敏度和高选择性地检测广泛的化学污染物、微生物危害和生化腐败标记物，并展现出与牛奶、蜂蜜、肉类、果汁和蔬菜等真实食品基质的兼容性（Hu等，2021；Liang等，2021；Pan等，2021）。

近年来，B-CQDs——由果皮、农业残渣、海洋生物质和食品加工副产品等可再生前驱物合成——受到了广泛关注。与石油化工基CQDs相比，B-CQDs在可持续性方面具有几项主要优势（Ahmed & Roy，2026；Akram等，2025；Akram等，2026）。首先，绿色、低影响的合成路线——如水热碳化和微波辅助热解——使得使用温和水相介质进行节能和环保生产成为可能（Hu等，2020；Shirani等，2021；Tao等，2020）。其次，许多生物质来源天然含有杂原子（N、S和P），实现了固有掺杂，从而无需外部掺杂剂即可提高量子产率、表面反应性和分析物结合能力（Bellanco等，2024；Hassani等，2023；Lu等，2019）。第三，B-CQDs具有丰富的含氧和含氮基团，增强了其与金属、农药、染料和腐败相关代谢产物的相互作用（Ahmed等，2023；Qiao等，2019）。最后，将农业和食品废物转化为高附加值纳米材料与可持续性和循环经济目标一致，支持了环境负责任的传感器开发。

鉴于上述特性，B-CQDs代表了一个引人注目的下一代荧光、电化学和PEC传感平台，能够在真实条件下快速、低成本、准确地检测食品污染物。本综述强调了基于B-CQD传感的最新进展，重点关注材料设计、检测机理、杂化传感架构以及涵盖化学污染物、病原微生物和腐败指示物的应用。此外，本综述还讨论了当前面临的制造挑战、与智能包装和物联网系统的集成机会，以及开发用于食品安全监测的智能可持续技术的前景。

尽管基于CQD的传感器文献日益增多，但以往的综述通常侧重于合成方法、光致发光特性或个别荧光传感应用。因此，连接生物基前驱物组成和处理条件与CQD表面状态、识别机制、传感模式以及在复杂食品基质中性能的全面框架仍然缺乏（表1）。本综述通过整合荧光、电化学和光电化学传感机理以及CQD-MOF、CQD-MIP和CQD-金属杂化架构来弥补这一差距。此外，本综述还通过批判性比较B-CQDs与其他纳米材料及其转化为智能手机辅助平台、物联网设备和智能包装来体现独特性。基于这一综合分析，本综述确定了前驱物变异性、机理不确定性、基质干扰、规模化生产和法规合规性作为实际部署的主要障碍，并提出标准化和基于数据的设计作为开发可重复和商业可行的B-CQD食品安全传感器的优先事项。

章节摘录

生物基前驱物和绿色合成路线
鉴于农业残渣、食品加工副产品和海洋生物质天然富含碳、氮、硫和氧官能团，生物基碳纳米材料已成为传统碳源的可持续替代品（Aksu & Güzdemir，2025；Alasiri等，2025；Okoye等，2024）。许多研究已经证明了使用果皮、作物残渣、木质纤维素材料和

CQDs的光学和电化学基础
CQDs表现出丰富的光学行为，受量子限域、表面/边缘态和分子荧光体的共同调控。在超小CQDs中，量子限域效应变得显著，粒径减小导致带隙展宽和发射蓝移，但这一机制在生物基材料中不那么占主导地位（Baruah等，2015；Benjamin等，2025；Berdimurodov等，2025）。在许多报道的体系中，包括N掺杂和S掺杂的CQDs

使用生物基CQDs的荧光传感器
B-CQDs因其强发射、可调谐的表面化学以及与水相和食品基质环境的兼容性，已成为高度多功能的荧光平台。单波长CQD基荧光传感器广泛用于检测重金属、农药、染料、掺假物和腐败相关标记物。这些系统通常依赖于由靶标诱导的CQD表面状态变化引起的静态或动态猝灭，从而实现了对分析物的灵敏检测，如

电化学和光电化学（PEC）传感器
CQDs因其优异的导电性、可调谐的表面化学和促进电子转移的能力，已成为现代电化学传感平台的重要组成部分，包括伏安法、安培法和阻抗法系统。CQDs通过增加电活性表面积和改善电荷迁移率（通过sp2碳域）来增强电极性能，实现了在海鲜和水中对Pb2+和Cd2+等重金属的灵敏检测，使用

杂化和智能传感架构
将CQDs与MOFs、MIPs和金属纳米粒子结合的杂化传感架构，通过整合各组分的优势，展现了显著的解析优势。CQD-MOF复合材料利用MOFs的高孔隙率和可调谐金属中心来增强分析物预富集、信号放大和结构稳定性，如CQD@ZIF-8（Liu等，2023）、CDs@ZIF-90（Peng等，2024）、CDs@Cu-MOFs（Yu等，2022）和N-CDs@Eu-MOF@MIP（Yang等，2024）

与其他纳米材料的比较分析
CQDs相较于其他碳基纳米材料，如石墨烯量子点（GQDs）、碳纳米管（CNTs）和聚合物点（PDs），具有独特优势。根据文献，CQDs提供 simpler and greener synthetic routes，尤其是当从生物基前驱物衍生时，通常只需温和的水热或微波步骤，而GQDs和CNTs则需要更高温度的或更复杂的工艺（Bellanco等，2024；Hassani等，2023；Lu等，2019）。其

挑战、局限性和未来方向
尽管前景广阔，基于CQD的传感器仍面临与重现性、前驱物异质性和机理不确定性相关的重要挑战。B-CQDs表现出批次间的变异性，因为前驱物组成随季节、地域和生物因素而变化，导致粒径、表面化学和PL行为不一致（Gupta等，2025；Han等，2019a；Han等，2019b）。许多研究已证明杂原子含量、表面

结论
鉴于B-CQDs具有强而可调谐的荧光、有利的电化学行为、丰富的表面官能团以及与绿色低成本合成路线的兼容性，B-CQDs已迅速发展为食品安全传感最有前景的纳米材料类别之一。过去十年在阐明其结构-性质关系方面取得了重大进展，使其PL、表面反应性和电荷转移动力学实现了精确控制（Li等，2026；Li, Yue,

作者贡献声明
Khasan Berdimuradov：写作—审阅与编辑、验证、软件、资源、方法论。Nodirjon Tursunov：验证、监督、软件、项目管理、方法论。Bobirmirzo Khasanov：可视化、验证、监督、资源。Fotima Sobirova：资源、项目管理、方法论。Okhunjon Khasanov：可视化、验证、监督、软件。Kamila Rashidova：可视化、验证、资源。Rovshan Ismailov：软件、资源、项目

利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能已影响本文中报告的工作。

Khasan Berdimuradov | Nodirjon Tursunov | Bobirmirzo Khasanov | Fotima Sobirova | Okhunjon Khasanov | Kamila Rashidova | Rovshan Ismailov | Natarajan Elangovan | Elyor Berdimurodov | Bakhtiyor Borikhonov | Ilyos Eliboev | Mansur Radjabov