【摘 要】
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农产品中重金属残留是食品安全的重大问题。铜离子(Cu2+)作为人体中含量第三的金属元素,广泛参与机体的生理、生化代谢过程。但是由于Cu2+具有氧化性,人体中过量积累的Cu2+会产生过多的活性氧,引发许多与活性氧相关的疾病。现代农业和工业的发展导致过量的Cu2+污染环境,最终通过食物链的富集作用进入人体而危害人体健康。因此,建立能在农产品中准确灵敏检测Cu2+的方法对保障食品安全和提高人类健康具有重
【基金项目】
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国家自然基金面上项目“MOFs孔道特性控制的苹果汁中重金属离子的靶向捕获机制”(编号:32172327);
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农产品中重金属残留是食品安全的重大问题。铜离子(Cu2+)作为人体中含量第三的金属元素,广泛参与机体的生理、生化代谢过程。但是由于Cu2+具有氧化性,人体中过量积累的Cu2+会产生过多的活性氧,引发许多与活性氧相关的疾病。现代农业和工业的发展导致过量的Cu2+污染环境,最终通过食物链的富集作用进入人体而危害人体健康。因此,建立能在农产品中准确灵敏检测Cu2+的方法对保障食品安全和提高人类健康具有重要的意义。荧光检测方法由于具有较高的灵敏性和准确性而广泛应用于食品安全检测领域。碳点(Carbon dots,CDs)作为常见的荧光纳米材料由于具有优秀的生物相容性、可调发射性以及良好的水溶性等优点常常被应用于荧光检测。然而,基于荧光单发射CDs的传感器容易受到复杂食品基质的干扰,而荧光双发射传感器自带的内置校准特性可以避免外部因素的影响。本研究将发射黄色荧光碳点(Yellow carbon dots,Y-CDs)和蓝色荧光碳点(Blue carbon dots,B-CDs)进行杂化,利用Y-CDs表面邻苯二胺的残留基团可以特异性捕获Cu2+的性质,构建对Cu2+具有相关联相反响应的荧光双发射传感器,用于比率比色双模式检测农产品中的Cu2+。主要研究结果如下:(1)以邻苯二胺为前体,通过微波辅助法制备Y-CDs;以柠檬酸和乙二胺为前体,通过一锅水热法制得B-CDs。再分别对Y-CDs和B-CDs进行形貌、光学和表面基团表征。TEM结果表明Y-CDs为均匀分散的球形,平均直径为3.83 nm。当激发波长在300-500 nm范围内变化时,Y-CDs在560 nm处的荧光发射峰未发生偏移,表明Y-CDs具有激发不依赖性。FT-IR和XPS结果表明,Y-CDs表面存在大量邻苯二胺的残留基团(苯胺),可能源于邻苯二胺在形成Y-CDs过程中的不完全碳化。TEM结果表明B-CDs具有良好的分散性,粒径分布在3.46-6.30 nm,平均直径为4.38 nm。当激发波长从300-400 nm变化时,B-CDs的荧光发射峰位置在445 nm处不变,表明B-CDs也存在激发不依赖性。FT-IR和XPS结果表明,B-CDs表面存在丰富的-NH2和-COOH的活性基团。(2)将Y-CDs和B-CDs直接杂化构建荧光双发射传感器,并在激发波长365 nm时调节荧光强度(F)的比值F445:F560=7.5:1;再分别以缓冲液种类、缓冲液p H和孵育时间为单因素优化传感器的检测条件。得到最优检测条件为:HEPES(10 mmol L-1)作为缓冲液,其p H为7.4,孵育时间为30 min。在最优条件下,随着Cu2+浓度增加,传感器F560增强,而F445猝灭,同时传感器的荧光颜色由蓝色向黄色转变。以F560/F445为指标,实现对Cu2+浓度的比率荧光检测,其线性响应范围为0-45mmol L-1,决定系数(R~2)为0.9964,检测限(LOD)为44.05 nmol L-1;将传感器与智能手机以及3D打印配件结合构建手机辅助检测平台,通过测定传感器荧光颜色的RGB值实现对Cu2+浓度的荧光比色检测。荧光比色检测方法的线性响应范围为0-25mmol L-1,R~2=0.9963,LOD为169.46 nmol L-1。在选择性和抗干扰能力试验中,农产品中常见的金属离子(Fe3+、Hg2+和Co2+:5倍Cu2+浓度;Zn2+、Pb2+、Ca2+、K+、Al3+、Mn2+、Cr3+、Li+、Ni2+、Na+和Mg2+:10倍Cu2+浓度)对传感器比率荧光和比色检测Cu2+(20mmol L-1)均无影响,表明该传感器可以特异性检测Cu2+并具有优秀的抗干扰能力。机理解析结果表明,Cu2+可以特异性与Y-CDs上的苯胺基团配位形成复合物,复合物可以通过福斯特能量转移有效猝灭B-CDs的荧光。同时,复合物可以通过抑制光致电子转移增强Y-CDs的荧光,使得传感器可以对Cu2+产生独特的相关联相反响应,从而产生更加明显的荧光强度比值变化和更容易识别的颜色变化(蓝色到黄色)。(3)在实际农产品样品(茶叶、葡萄干和猕猴桃干)加标回收试验中,比率荧光检测方法的加标回收率为96.8-105.9%,相对标准偏差小于3.8%;荧光比色检测方法的加标回收率为94.4-108.5%,相对标准偏差小于7.7%。所构建的两种检测方法的检测结果与火焰原子吸收光谱法的结果相比均无明显差异(p>0.05)。试验结果表明构建的传感器可以用于检测实际农产品中的Cu2+。本研究构建了一种操作简便、检测灵敏的荧光双发射传感器,可以比率比色双模式检测农产品中的Cu2+,为农产品中Cu2+的检测提供一定的理论及技术依据。
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