《食品科学》：陇东学院韩雍教授等：碳点荧光可视化检测肉制品中的氯化血红素

食品添加剂是现代食品工业中的重要组成部分。随着食品工业的快速发展和消费者需求的多样化，食品添加剂的种类和应用范围也在不断扩展。加强食品添加剂的监管和质量控制，确保其在食品安全方面的积极作用得到充分发挥，是当前食品安全管理中的重要任务。

氯化血红素（HC）是一种天然补铁物质，可作为食品添加剂添加到乳制品、饼干、面包、糖果、糕点和面条中，也广泛应用于肉制品中，以替代传统的发色剂亚硝酸盐和人工合成色素。然而，长期过量摄入HC会导致体内铁的蓄积超过机体的处理能力，从而造成肝脏损伤、心肌损害、贫血和一系列过敏反应。

荧光碳点作为一种新型纳米材料，因其独特的荧光性质、良好的生物相容性和易于制备等特性，HC所具有的特定化学结构和生物活性，可以与荧光碳点发生相互作用，引起碳点荧光性质的改变。基于这一原理，利用荧光碳点检测HC成为可能。可通过双发射荧光碳点构建比率荧光检测探针，设计合理的检测体系，优化实验条件，从而实现食品中HC的灵敏、准确检测。

甘肃农业大学食品科学与工程学院的王倩、陇东学院农业与生物工程学院的汪慧、韩雍*等利用

L

-谷氨酸和邻苯二胺（OPD）作为前体材料，通过水热法合成了一种双发射黄色荧光碳点（y-CDs）（图1a），基于内滤效应用于检测HC，并通过y-CDs与HC的颜色变化，建立了视觉传感平台（图1b）。提出了食品样品中HC的两种检测策略：利用智能手机通过拍照观察荧光探针溶液的颜色变化和手机上的红绿蓝（RGB值）颜色识别应用软件（Color Picker），可以实现HC的视觉定量检测。本研究旨在为食品行业提供两种有效的HC检测手段，加强对食品中HC使用量的监控，确保食品安全性和合规性的同时，进一步拓展荧光碳点在食品检测领域的应用范围。

1 碳点的表征

采用TEM对所合成的y-CDs进行形貌结构观察，由图2A可知，y-CDs呈球形，分散性好且分布均匀，y-CDs的粒径为0.49～2.64 nm，平均粒径为1.28 nm（图2B），用XRD分析y-CDs的晶体结构，如图2C所示，y-CDs在19.89°处出现较宽的衍射峰，说明y-CDs具有无定形结构，符合碳点的一般形貌结构。

通过FTIR表征y-CDs的官能团结构，由图2D可知，这些特征峰分别由饱和C—H伸缩振动（2 926.96 cm-1）、C＝C伸缩和N—H、C＝O弯曲振动（1 659.25 cm-1）、C＝C骨架振动（1 500.14 cm-1）、C—H弯曲振动（1 438.23、1 384.07 cm-1）、C—O伸缩振动（1 254.82、1 088.45 cm-1）和O—H面外弯曲（657.36 cm-1）引起。上述结果表明y-CDs表面存在丰富的活性基团，如—OH、—NH2、—COOH以及芳香族的结构，这些结构能够很好地提高y-CDs的水溶性，保证双发射的稳定性。

通过XPS进一步对y-CDs的元素进行分析如，图2E所示，以284.43、399.13、531.6 eV为代表的特征峰分别对应C、N、O 3种元素。其中C1s的高分辨光谱（图3A1）中显示有2 个键C—C/C＝C（284.5 eV）和C—O（286.3 eV）；N1s的高分辨光谱（图3B1）中显示2种不同化学态的N（吡啶N（399 eV）和氨基N（399.5 eV））；O1s的高分辨光谱（图3C1）中显示有C＝O（531.5 eV）和C—O（532 eV），这些结构与FTIR分析的官能团结构基本相符，同时，所合成的y-CDs含有芳香环结构，具有丰富的共轭sp2结构域和含氧/含氮表面基团，进一步说明该碳点的水溶性及双发射特性。

2 光学性质分析

如图4A所示，y-CDs在215.5、271 nm和278.5 nm波长处有3 个较强的吸收峰。说明y-CDs中可能有苯环和共轭体系存在。另外y-CDs在360 nm激发波长下，分别在430 nm和530 nm波长处产生2 个发射峰。y-CDs溶液在日光灯下呈深红色，在紫外灯照射下发黄色荧光（图4A插图）。如图4B所示，在345～395 nm激发波长范围内，430 nm和530 nm波长处的荧光强度随着激发波长的增大而呈现上升的趋势，但发射波长未发生位移。为更好地实现HC的比率荧光可视化检测，选择360 nm作为最适激发波长。

3 检测条件优化

为了提高所制备的荧光探针灵敏度，研究了y-CDs的稀释倍数、pH值、孵育时间、孵育温度对检测灵敏度的影响。碳点的浓度对其荧光发射至关重要，如果碳点的浓度过高，会导致其自猝灭现象的发生，这可能是由于当碳点的浓度增加时，碳点颗粒之间的距离减小，导致碳点会吸收其相邻的碳点颗粒发射的荧光而发射出波长较长的荧光，使得部分激发态碳点无法以荧光形式释放能量，从而导致荧光强度的降低。推测该过程可能是由荧光共振能量转移或类似的能量转移过程所引起。且碳点浓度越高，这种效应越强，荧光猝灭也就越明显。由图5A可知，当将y-CDs稀释10～30 倍时，荧光强度逐渐增大，y-CDs稀释30 倍之后荧光强度逐渐减弱，因此确定最佳稀释倍数为30 倍。由图5B可知，过高的pH值对探针溶液的荧光强度稳定性有较大的影响，但在低pH值中探针溶液较稳定，所以确定探针溶液的最佳pH值为6。在加入同体系HC溶液后，随着时间的延长，探针溶液的荧光比值Fr在5 min内达到稳定（图5C），但为了检测过程的稳定性和检测结果的准确性，确定最佳检测孵育时间为15 min。为进一步探讨荧光探针的稳定性，当温度从20 ℃升高到60 ℃时，探针溶液的荧光强度保持稳定（图5D），证实了荧光探针的温度稳定性。综上所述，选择y-CDs稀释倍数为30、pH值为6、孵育时间为15 min和孵育温度为25 ℃进行后续实验。

4 荧光标准曲线

为了验证y-CDs荧光探针检测HC的灵敏性，研究了y-CDs探针对HC的荧光响应。如图6A所示，随着HC的浓度从5 μmol/L增加到100 μmol/L， F 430 nm 和 F 530 nm 的荧光猝灭效应逐渐增强。同时，碳点荧光强度 F r 在5～100 μmol/L范围内与HC浓度（ c ）呈良好的线性关系（图6B）。定量限（limit of detection，LOD）按照公式LOD＝3 δ / S 进行计算（式中： δ 为噪声水平，即10 个空白试验的标准差； S 为灵敏度实验线性回归方程的斜率） 。在荧光模式下LOD为2.3 μmol/L（ R 2 ＝0.995）。

5 选择性和抗干扰性分析

通过记录Fr值的变化进行选择性评价。由图7A可知，HC对y-CDs具有极强的选择性猝灭作用，说明y-CDs对HC具有高度选择性。由图7B可知，HC与对照组之间存在显著差异，结合图7A可知，其他干扰物质对y-CDs检测HC的干扰作用不明显。综上所述，y-CDs对HC具有高选择性和较好的抗干扰能力。

6 可视化检测

可视化比色传感器的颜色变化R/G值（R表示红基色值，G表示绿基色值）与HC在不同浓度的标准曲线如图8A所示。比色传感器的R/G值与HC的浓度呈良好的线性关系。可视化比色传感器的视觉检测平台的检测范围为5～100 μmol/L，LOD为0.002 μmol/L。国际照明委员会规定通过CIE色度图描绘和比较光源与显示器白点的关系定义彩色设备的呈色域。如图8B所示，在CIE色度图中，随着HC浓度增大，其探针溶液的主波长色温在6 000～10 000 K之间，该区域表示探针溶液的颜色是可视的。由于其探针溶液的位点随着HC浓度的增大越靠近白点，说明随着HC浓度的增大，探针溶液的饱和度逐渐降低，颜色的明度也在降低；这些结果与图8A插图探针溶液的荧光颜色从黄色到黑色的转变相对应，说明所构建的荧光可视化比色传感器设计合理。并且探针溶液荧光颜色变化的R/G值与HC的浓度之间呈线性关系，表明该可视化比色传感器可直接视觉监测HC。因此，基于智能手机的可视化比色传感器被成功构建。

7 检测机理分析

FTIR和XPS分析结果表明，y-CDs表面含有芳香环结构以及大量的含氧和含氮基团，HC能够与这些官能团结合形成复杂的网络结构进而引起y-CDs溶液的荧光猝灭。结合y-CDs、HC、y-CDs+HC的紫外吸收光谱图与y-CDs的荧光光谱图进行综合分析，由图4A可知，y-CDs与y-CDs+HC的紫外吸收光谱在200～300 nm波长处基本一致，而y-CDs+HC与HC的紫外吸收光谱在300～600 nm波长处基本一致，并且HC、y-CDs+HC的紫外吸收光谱和y-CDs的荧光光谱图有重叠，因此推断内滤作用可能是y-CDs识别HC的主要原因。当y-CDs的浓度过高或加入HC之后，y-CDs的荧光都有减弱的现象。在360 nm激发波长下，体系中加入HC会引起y-CDs在430 nm和530 nm波长处的发射峰强度都减弱，表明HC在不同发射峰处的响应机理相同。由图3C可以看出，HC能与y-CDs表面含有的含氧官能团配位形成复合物，可能通过内滤作用猝灭y-CDs在430 nm和530 nm波长处的荧光发射，如图6A所示，随着HC浓度的增大y-CDs在430 nm波长处和530 nm波长处的荧光有相同的猝灭趋势，如图8A插图所示，随着HC浓度的增大，y-CDs溶液在365 nm紫外灯下荧光颜色呈现由黄色至黑色的变化，引起黄色荧光猝灭，所以y-CDs在碳点比率荧光检测和可视化检测HC方面具有一定的实践意义。

8 实际样品分析

为了进一步验证y-CDs测试液的比率荧光法和可视化比色法对HC检测的有效性和实用性，对实际样品进行了加标回收率测定。如表1所示，y-CDs检测HC时，比率荧光法中实际样品中的回收率为99.55%～102.20%，RSD为0.94%～3.17%。可视化比色法中实际样品中的回收率为99.8%～100.4%，RSD为0.2%～1.5%，这些结果表明该传感器在实际样品检测中具有良好的应用潜力。此外，还将本方法与其他方法进行了比较，如表2所示，与以往的方法相比，本实验构建的比率荧光法具有更宽的检测范围和更稳定的检测背景。而可视化比色法具有操作更加简便、实验结果更加直观和检测限更低等优点。基于以上结果，证实了所构建的比率荧光法和可视化比色法在食品样品中检测HC的有效性与可靠性。并且可视化比色法的设计简便、灵敏度高、操作性强，在现场快速检测和资源匮乏地区食品检测中具有较优的检测性能和应用潜力。

9 两种检测方法性能分析

在检测过程中，荧光碳点检测HC的比率荧光法与可视化比色法的检测性能各有特点。比率荧光法主要利用荧光碳点的荧光性能和HC对荧光碳点的猝灭作用实现检测。这种模式通常具有较高的灵敏度和选择性，能够在极低浓度条件下对HC进行有效检测，且信号响应准确，有助于提供可靠的检测结果。而可视化比色法则是通过比较或测量样品在特定紫外波长下照片颜色变化的RGB值定量检测HC。这种模式通常更为直观，可以通过肉眼观察颜色变化初步判断结果。然而，在选择性方面可能稍逊于荧光模式。在具体检测过程中，需要考虑实验条件、检测需求以及样品特性等因素。如需灵敏度和准确性高的检测，比率荧光法可能更为适合；而若追求简便直观的操作过程，可视化比色法则具有一定优势。在本实验构建的两种检测方法中，可视化比色法较比率荧光法具有更低的LOD，操作也更简便，检测结果也更加直观。

结论

综上所述，本实验基于y-CDs与HC之间的内滤作用机理，构建了两种双信号荧光适配体传感器用于HC的比率荧光和可视化比色检测，该传感器可通过明显的荧光变化对HC进行定量检测分析，并应用于肉制品中HC的定量检测。该比率荧光法能够根据y-CDs的猝灭程度在15 min对HC进行定量检测，并且具有灵敏度高、选择性强等优点；而可视化比色法具有检测HC更直观的优点。此外，在最优检测条件下，比率荧光法对HC的检测范围为5～100 μmol/L，LOD为2.3 μmol/L，回收率为99.55%～102.20%，RSD为0.94%～3.17%。可视化比色法对HC的检测范围为5～100 μmol/L，LOD为0.002 μmol/L，回收率为99.8%～100.4%，RSD为0.2%～1.5%，说明两种方法对HC的检测具有较高的回收率和低检出限等优点。这将在食品安全快速检测方面有十分重要的意义。这种基于双荧光信号响应构建的双模式传感器在HC的检测方面具有良好的应用前景，可为未来开发高检测性能的比率荧光可视化比色传感器提供一定的参考。

作者简介

通信作者：

韩雍，中共党员，工学博士，教授，硕士研究生导师，甘肃省领军人才，中国科学院“西部之光”青年学者，甘肃省陇原青年创新人才，庆阳市领军人才，甘肃省科技专员；国家自然科学基金函评专家，甘肃省、江西省、广西省科技专家；

Food Chemistry

、《发光学报》等 30 多个国内外学术期刊审稿专家；中国食品科学技术学会和中国营养学会高级会员，美国化学会会员；陇东学院“双创”导师 。 现任陇东学院农业与生物工程学院副院长，挂职西北农林科技大学食品学院副院长（2024年）。本、硕、博毕业于西北农林科技大学食品科学专业，主要从事食品安全控制纳米技术和食品工程技术研究，主持或完成国家自然科学基金等项目17 个； 在

Critical Reviews in Food Science and Nutrition

Food Chemistry

Journal of Agricultural and Food Chemistry

等期刊 发表学术论文40余篇，其中SCI期刊论文21 篇，总被引次数1600多，

H

-index 18；出版专著1 部，制订地方标准5 个。科研成果获甘肃省科技进步奖等各级科研表彰13 项；获甘肃省“挑战杯”科技竞赛优秀指导教师等10余次表彰。

第一作者：

王倩，2018 年9月-2022年6月，就读 于 甘肃农业大学食品科学与工程学院食品质量与安全专业，获得食品质量与安全工学学士学位 ； 2023年9月-2025年6月，就读 于 甘肃农业大学食品科学与工程学院 ， 陇东学院农业与生物工程学院联合培养食品加工与安全专业硕士研究生，研究方向为食品安全快速检测。

本文《碳点荧光可视化检测肉制品中的氯化血红素》来源于《食品科学》2025年46卷第12期297-305页，作者：王倩，汪慧，李忠宏，韩雍。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20241202-009。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：闫凯；责任编辑：张睿梅。点击下方 阅读原文 即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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