何玉红|李卓珍|冯晓|梁东|刘朗|何光云|钟天|肖颖|余曦
澳门科技大学中药学院，塔ipa，999078，中国
**摘要**
碳量子点（CQDs）由于其可调的光学特性、良好的生物相容性和易于功能化，已成为食品分析中具有前景的荧光探针。与最近主要关注CQD合成、荧光机制、实验室规模性能或基于分析物分类（例如金属离子、抗生素、病原体）的综述不同，本综述批判性地评估了基于CQD的传感器在实际基质中的适用性。通过参考其他基于量子点的平台——包括传统的金属基半导体量子点（如CdTe和铅卤化物钙钛矿量子点）和基于碳的石墨烯量子点——我们比较了不同传感系统的性能优势和常见缺陷。特别强调了由基质引起的瓶颈问题，包括非特异性吸附、pH/离子强度不稳定、批次间重复性差以及对复杂样品预处理的依赖性，这些问题限制了CQD传感器的实际应用。本文还深入分析了关键的识别机制（如诱导荧光（IFE）、荧光共振能量转移（FRET）、光致发光（PET）、静态/动态淬灭（AIE）以及分子识别原理（如配位、氢键、π-π堆叠）。从表面工程、识别单元耦合、信号优化、样品处理/放大和便携式现场传感五个维度总结了主流优化策略。最后，指出了提高抗干扰能力、长期稳定性、重复性和基于CQD的传感器在复杂食品基质中标准化方面的未来研究重点。
**引言**
食品安全和质量是全球关注的问题，影响着公共卫生、经济发展和社会稳定。现代食品供应链非常复杂，食品中可能含有多种有害物质——农药残留、兽药、重金属、霉菌毒素、添加剂和病原体。这些污染物可能导致急性或慢性危害，并可能引发大规模事件，从而损害消费者信心和行业声誉。因此，迫切需要快速、灵敏、准确、低成本且用户友好的分析平台来有效监测各种食品危害。
传统的食品检测方法，如高效液相色谱（HPLC）、气相色谱-质谱（GC-MS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS），通常具有高准确性和灵敏度。然而，这些方法往往受到昂贵仪器、操作复杂、分析时间长、需要熟练人员以及繁琐样品预处理等因素的限制，不适合快速现场筛查和大规模样品分析。例如，HPLC常用于检测霉菌毒素，但其预处理程序复杂且耗时，限制了其在快速现场检测中的应用。同样，尽管ICP-MS能够精确量化重金属离子，但其高昂的成本、复杂的仪器和样品制备过程以及有限的便携性极大地限制了其在快速食品分析中的广泛应用（Khan等人，2026；Soylak等人，2025）。此外，传统方法通常无法实时监测食品的新鲜度和营养价值。因此，迫切需要开发新的检测技术，以克服传统方法的局限性，提供更高效、经济和便捷的分析解决方案。
近年来，基于纳米材料的传感技术在食品分析中展现出巨大潜力，这得益于它们独特的物理化学性质和出色的分析性能。其中，荧光量子点（QDs）作为一种具有独特光学性质的半导体纳米晶体，由于其窄发射光谱、宽吸收光谱、高荧光量子产率、优异的光稳定性和可调荧光发射特性，已成为食品分析的主要研究方向（Ma等人，2024；Wang等人，2025；Zou等人，2024）。基于QD的传感技术能够超灵敏地检测微量目标分析物，并可轻松与抗体、适配体和分子印迹聚合物等识别元件结合，构建具有高特异性和快速响应的生物传感器。此外，量子点（尤其是碳量子点）具有良好的生物相容性和低毒性，这使它们在食品接触材料和体内检测中具有潜在价值。因此，基于量子点的传感技术有望为食品分析提供一个新颖、高效且低成本的分析平台，以满足日益增长的食品安全和质量控制需求。
严格来说，传统量子点（QDs）是尺寸通常在1至10纳米范围内的半导体纳米晶体。在本综述中，基于QD的系统被广泛讨论，包括传统的无机半导体量子点、铅卤化物钙钛矿量子点、硅量子点和碳量子点。传统半导体量子点由于量子限制效应而表现出独特的光学和电学性质，包括宽吸收光谱、窄发射光谱、高荧光量子产率、优异的光稳定性和通过控制粒度和成分可调的发射波长。这些性质在生物成像、光伏器件、LED显示器和化学传感等领域引起了广泛关注。在食品分析领域，量子点已被广泛用于检测各种有害物质和质量指标，包括重金属离子、农药残留、兽药残留、霉菌毒素、食品添加剂、病原微生物、营养成分和新鲜度相关标志物（Du等人，2021；Ma等人，2024）。
为了克服某些含金属的半导体量子点（尤其是含Cd/Pb的系统）的毒性问题，研究人员越来越多地关注低毒性或无毒的基于量子点的材料。其中，硅量子点（Si QDs）（Z. Zhang等人，2023）、石墨烯量子点（GQDs）和碳量子点（CQDs）逐渐成为主要的研究热点。硅量子点具有良好的生物相容性，但其荧光量子产率相对较低，合成过程也具有挑战性。相比之下，石墨烯量子点因其优异的电导率和光学性质而受到关注。它们已被用于构建荧光免疫传感器，用于检测食品中的空肠弯曲菌，检测限低至10 CFU/mL，显示出良好的特异性（Dehghani等人，2020）。然而，石墨烯量子点的合成过程通常也很复杂，其荧光性能有时不如成熟的传统无机半导体量子点稳定。
在新兴的量子点中，碳量子点（CQDs）因基于碳的组成、易于功能化、可调荧光、良好的水溶性以及相对有利的生物相容性而在食品分析中受到越来越多的关注。与传统含金属的半导体量子点（尤其是含Cd/Pb的系统）相比，CQDs为开发绿色和可持续的荧光传感器提供了更合适的平台。然而，许多基于CQD的传感器仅在优化的实验室条件下表现出优异性能，而在实际食品基质中的可靠性往往受到基质干扰、环境波动、批次间变异性和复杂样品预处理的影响。因此，除了总结应用实例外，还需要批判性地分析决定CQD基食品传感器实际适用性的实际障碍、识别机制和优化策略。此外，研究表明CQD修饰可以降低二氧化钛纳米颗粒在水生食品链中的毒性，进一步证实了它们的环境友好性（M. Li等人，2025）。此外，CQD在绿色合成和成本效益方面也具有优势。它们的前体材料广泛可用，许多研究利用各种生物质废弃物作为CQD的绿色合成来源（Abdulsatar Esmail & Sanaan Jabbar，2023；X. Li等人，2023；Ma等人，2025；Mei等人，2024；Shi等人，2025；Zhang等人，2016；R. Zhang等人，2023；Zhu等人，2023）。这种“废物转资源”的策略不仅降低了生产成本，也符合可持续发展的理念。例如，从甘蔗渣制备的氮掺杂碳点（N-CDs）已被用于通过绿色、简单且经济的方法检测甲基对硫磷（Ma等人，2025）。此外，CQD还具有优异的水溶性和丰富的表面官能团，便于进一步与各种识别元件结合。同时，CQD具有可调的荧光特性，支持多色和比率传感设计，这些特性特别有助于提高复杂食品基质中的检测准确性和抗干扰能力（如第2.1节所述）。此外，一种pH调节的CQDs@EuGMP ICP传感器阵列能够特异性识别和定量六种四环素，并结合智能手机辅助的视觉检测（M. Gao等人，2025）。
最后，CQD还表现出多功能性和多模态传感的巨大潜力。与单信号荧光传感器相比，多模态传感平台可以在不同信号输出之间进行交叉验证，从而减少由于基质干扰、仪器波动或环境变化引起的假阳性或假阴性结果。CQD不仅可以作为荧光探针，还可以与其他纳米材料（如金纳米颗粒、金属氧化物纳米片和金属有机框架（MOFs）结合，构建结合荧光、比色、电化学或电化学发光输出的双模或多模态传感平台。这种策略在复杂食品分析中特别有价值，因为复杂的基质可能会干扰单一光学信号。例如，Peng等人开发了一种智能手机辅助的比率比色-荧光三模态CQD/MnO2探针用于亚硝酸盐检测，突显了多模态读数的价值（Peng等人，2023）。N,S掺杂的碳点也被用于Co(II)的荧光/比色双模态检测，证明了双信号金属离子传感的可靠性（Y. Zhang等人，2024）。最近，氨基功能化的碳化聚合物点实现了食品样品中微量亚硝酸盐的荧光/比色双模态检测（Li等人，2026），而Fe3O4-CD纳米酶结合了荧光、类过氧化物酶活性和磁分离功能，用于智能手机辅助的自校准氧四环素检测（Bai等人，2026）。这些例子表明，基于碳量子点的多模态平台可以增强检测的稳健性和实际应用性，特别是在复杂食品系统的现场筛查中。
与许多主要总结CQD合成、光致发光特性或基于目标分析物的传感应用（如重金属、农药、抗生素、霉菌毒素或微生物的检测）的综述不同，本综述重点关注基于CQD的传感器在实际食品基质中的适用性。其他基于量子点的系统，包括传统的金属基半导体量子点、铅卤化物钙钛矿量子点、硅量子点、石墨烯量子点和MXene衍生物量子点，被用作参考平台，以明确CQD的比较优势、内在局限性和可转移的设计原则。本综述不仅列举了检测实例，还强调了优化实验室性能与实际食品测试之间的差距，特别关注基质干扰、非特异性吸附、环境敏感性、批次间变异性和样品预处理依赖性。进一步分析了与CQD相关的识别和荧光响应机制，比较了它们与其他量子点的相似性和差异，并讨论了不同纳米材料系统之间的机制转移界限。最后，总结了涉及表面工程、识别单元耦合、信号优化、样品处理和放大以及便携式传感的优化策略，以确定提高基于CQD的传感器在复杂食品基质中的稳定性、重复性、抗干扰能力和实际应用性的关键重点。
**结论**
本综述的主要创新之处在于将讨论重点从实验室规模的传感性能转向实际食品基质的适用性，同时将比较量子点平台、识别机制、基质相关瓶颈和实际优化策略整合到一个统一的框架中。
**CQDs在食品分析中的内在优势和实际价值**
碳量子点（CQDs）的尺寸通常为1-10纳米，具有石墨状或非晶态碳核心，表面装饰有含氧、氮和硫的官能团（-COOH、-OH、-NH2等）。这种独特结构赋予了CQDs在食品分析中的几个关键优势。
**CQDs在实际食品系统中的核心挑战**
尽管碳量子点（CQDs）在食品分析中展现出巨大潜力，但其在实际食品系统中的应用仍受到几个相互关联的瓶颈限制。其中，复杂的基质干扰是最关键的问题，因为食品样品中的盐、蛋白质、脂质、色素和内源性荧光物质可能导致非特异性吸附、背景荧光增强或减弱、信号淬灭以及回收率降低。
**基于CQD的传感识别机制**
作为荧光纳米探针，碳量子点（CQDs）的传感和识别机制对于理解和设计高性能传感器至关重要。CQDs的荧光响应通常涉及多个复杂的物理化学过程，包括发光、淬灭和分子识别机制。这些机制与其他量子点系统有一定的共同点，同时也表现出由于材料独特性而产生的差异。
**主流优化策略**
为了克服碳量子点（CQDs）在实际食品系统中面临的挑战，已经开发了多种优化策略来提高基于CQD的传感器的灵敏度、选择性和稳定性。这些策略涵盖了从CQD材料设计到传感平台构建的多个方面，并借鉴了其他量子点系统的成功经验。
**结论**
本综述系统总结了碳量子点（CQDs）在食品分析中的应用，特别强调了在实际食品基质中遇到的挑战、基本的传感和识别机制以及为解决这些问题而开发的主要优化策略。由于其低毒性、易于绿色合成、成本效益高、在水中的分散性优异、表面功能化容易实现以及荧光特性可调，量子点（CQDs）具有广泛的应用前景。作者贡献声明如下：何玉红：负责撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验研究及数据整理、概念构建；冯晓：负责审稿与编辑工作、项目监督及方法设计；李卓珍：负责审稿与编辑工作、数据可视化、方法设计、实验研究及数据整理；刘朗：负责审稿与编辑工作、项目监督及方法设计；梁东：负责审稿与编辑工作、项目监督及方法设计；何光云：负责审稿与编辑工作、项目监督、方法设计及概念构建。未引用的参考文献包括：Dong等人，2012年；Gao等人，2025年；Gao等人，2025年；Li等人，2023年；Li等人，2023年；Li等人，2025年；Liu等人，2024年；Salman等人，2022年；Song等人，2024年；Wang等人，2024年；Wang等人，2025年；Wang等人，2023年；Wang等人，2023年；Wang等人，2022年；Wei等人，2024年；Yang等人，2024年；Zhang等人，2025年；Zhang等人，2025年；Zhang等人，2024年；Zhang等人，2023年。作者声明：作者们声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究的个人关系。数据可用性：数据可应要求提供。利益冲突声明：作者声明与本手稿无关的任何利益冲突。本研究以最高的诚信和公正性进行，遵循了最高的伦理标准。我们没有任何可能不恰当地影响本研究内容或解释的财务或个人关系。致谢：本研究得到了澳门特别行政区科学技术发展基金（项目编号0108/2024/RIB2）、省级人才项目（2023QN10N282）以及广东省2025年国际科技合作计划（项目编号2025A050502002）的支持。
