碳量子点荧光传感器检测热加工食品中丙烯酰胺的方法研究

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丙烯酰胺(AM)是富含碳水化合物的食物在≥120℃热加工过程中产生的一种小分子副产物,其主要存在于油炸马铃薯、饼干、面包、咖啡等食品中。经毒理学实验表明,一定剂量的AM摄入动物体或人体后,会在肝脏,心脏,大脑和肾脏等许多器官处积累,最终引起严重的副作用,如神经毒性,遗传毒性,甚至潜在致癌性。如今,一些基于AM自身理化性质或材料对AM特异性识别而建立的检测方法被相继提出用于测定不同食品中的AM含量。尽管这些方法准确性好、灵敏度高,但依旧存在操作复杂、成本高昂、耗时耗力等缺陷。碳量子点(CDs)是一种新兴的光学碳纳米材料,具有光稳定性高、生物相容性好、毒性低、制备方法简单,成本低廉等不可比拟的优势。因此,本文结合CDs的荧光特性和AM的自身理化性质,建立了快速、简单的荧光方法用于灵敏定量烤面包中的AM。本文的主要研究内容和结论如下:(1)荧光CDs的制备与表征。首先利用安全可靠且高效的微波消解法快速合成CDs,同时探究了不同碳氮源摩尔比例、反应温度、反应时间和反应功率对CDs合成及其荧光发光性能的影响。最终得到CDs合成条件为:碳氮源的摩尔比例(1:1.5),反应温度(200℃),反应时间(5 min),反应功率(600 W)。然后对合成后的CDs进行表征分析和性质探究。结果表明该CDs形状接近球形,在双蒸水中具有良好的分散性,平均尺寸约为4 nm。同时,其在波长为365 nm的紫外灯照射下可发出蓝色荧光,测试所得该CDs最佳激发和发射波长分别为350 nm和445 nm,且相对量子产率较高,为78.13%。多种表征结果还表明该CDs表面含有丰富的官能团,如羟基、氨基等,使其具有优异的水溶性和荧光发光性。此外,该CDs还表现出良好的重现性和时间稳定性,同时,持续照射的自然光对CDs荧光强度影响较小,表明该CDs具有不易光漂白等优势。(2)基于热聚合的荧光化学传感器检测AM。首先将带有AM结构的N-丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(NAS)修饰在荧光CDs表面以构建功能化CDs(NAS-CDs),随后用不同浓度的AM标准溶液进行热聚合以引发NAS-CDs的间距变化,并通过计算发射波长处的相对荧光强度建立标准曲线,确定检测限和线性范围。结果显示,NAS-CDs检测体系在442 nm处的相对荧光强度ΔF与AM浓度的对数值之间存在良好的线性关系,检测范围为5×10-3-1×10-6 M,R2=0.9953,检测限(LOD)为9.36×10-7 M。此外,所构建的荧光方法成功用于面包皮样品中AM的测定,得到回收率范围为89.44-97.83%,相对标准偏差为1.08-2.82%(<5%)。(3)基于单链DNA的荧光生物传感器检测AM。以上述合成条件下得到的荧光CDs为基础,利用单链DNA可在荧光CDs表面附着以及其与AM之间具有高亲和性,使CDs材料的荧光强度发生改变。根据荧光信号在发射波长处的强度变化建立标准曲线,并确定检测限和线性范围。结果显示,基于单链DNA的CDs检测体系在445 nm处的相对荧光强度ΔF与AM浓度的对数值之间存在良好的线性关系,检测范围为5×10-3-1×10-7 M,R2=0.9895,检测限(LOD)为2.41×10-8 M。此外,所构建的荧光方法成功用于面包皮样品中AM的测定,得到回收率结果较荧光化学传感器更高,为91.36-98.11%;相对标准偏差更低,为1.15-2.30%(<5%)。(4)对AM标准检测方法(LC-MS/MS法)和上述构建的两种荧光检测方法进行总结,并从灵敏度、重复性、检测时间和成本、通用性等多方面进行评估。结果发现,与LC-MS/MS法相比,所构建的荧光传感器具有更宽的检测范围,更短的检测时间和更低的检测成本,同时荧光生物传感器具有与LC-MS/MS可比的检测限和回收率。此外,利用荧光化学传感器检测AM时,从制备荧光CDs到检测所需时间约200 min,而荧光生物传感器所需时间更短为90 min。但是这两种荧光方法的灵敏度均不及LC-MS/MS。
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