有望颠覆市场！量子点在食品安全检测领域的应用进展

2023年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，美国麻省理工学院的蒙吉·巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美国纳米晶体科技公司的阿列克谢·埃基莫夫（Alexei I. Ekimov）和美国哥伦比亚大学的路易斯·布鲁斯（Louis E. Brus）荣膺2023年诺贝尔化学奖，表彰他们 “发现和合成量子点”的科学贡献。在当今的材料应用领域中，纳米科学技术发展中的多个里程碑式工作来自于量子点相关研究。量子点（Quantum dots， QDs）已经成为备受瞩目的技术革命之一。

图1. 化学家Moungi Bawendi（左）、化学家Louis Brus（中）和物理学家Alexei Ekimov（右）

一、量子点是什么？

量子点是一类半导体纳米微晶（Semiconductor Nanocrystals），简单来说，量子点是肉眼看不到的、极其微小的无机纳米晶体，直径在2-10nm。每当受到光或电的刺激，量子点便会发出有色光线，我们所看到的光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定，一般来说，通过改变量子点晶体的尺寸可以改变发光颜色。具体而言，由不同的元素组成+量子点的方式进行命名，如“碳量子点”“硅量子点”。Alexei Ekimov是发现量子点的第一人，1981年他发现用氯化铜着色的玻璃，如果氯化铜颗粒大小不一样，玻璃颜色则会不一样，颗粒越小则越蓝，证实了量子点的尺寸发光效应。

一般量子点颗粒越小，会吸收长波，颗粒越大，会吸收短波。比如2nm大小的量子点，可吸收长波，显示出蓝色。8nm大小的量子点，可吸收短波，呈现出红色。

二、量子点在食品安全检测领域的应用

因为量子点具有可调荧光和高光稳定性等独特特性，这些特性使其在食品安全检测中比传统荧光标记物更具优势。量子点的荧光可随尺寸和组成的改变而调节，从而实现对不同目标物的特异性检测。作为迄今为止人类发现的最优秀的发光材料，量子点已在食品安全检测领域展现出巨大潜力。

首先，列举一些研究的范围：

（1）检测食品中的食源性致病菌。目前，已确认30余种病原微生物可导致食源性疾病，其中细菌感染引发住院和死亡的人数最多。致病性大肠杆菌是一类常见的致病菌，是我国居民腹泻的首要病原菌，更是国际公认的卫生监测指示菌。目前有报道显示碳量子点（carbon quantum dots，CQDs）可用于检测大肠杆菌。也可以用于检测金黄色葡萄球菌、牛奶中沙门氏菌等。

（2）检测食品中的生物毒素。生物毒素是生物机体分泌代谢或半生物合成的、不可自复制的有毒化学物质，由生物毒素引起的食物中毒已引起各国高度重视。目前有报道显示CQDs可用于黄曲霉毒素等的检测。

（3）检测食品中的农药残留。

（4）检测食品中的兽药残留。

（5）检测食品中的重金属离子。

（6）检测食品添加剂。

量子点不仅在食品安全检测领域的研究工作很多，也有已经成型的检测仪器产品：

（1）量子点微球荧光定量检测仪：通过将量子点包裹进纳米级微球中，制备出新型标记材料，能够实现对目标物的精准捕捉和定量检测。

量子点微球荧光定量分析仪（力德力诺，点击图片可直达）

量子点微球荧光定量分析仪的检测项目

（2）量子点荧光定量检测仪：应用竞争抑制免疫层析的原理，通过检测线荧光定量卡中的荧光强弱程度，定量分析真菌毒素、兽药残留、瘦肉精、抗生素、动物疫病、农药残留、临床检查项目等。

量子点荧光定量检测仪（深芬仪器，点击图片可直达）

量子点荧光定量分析仪检测项目：

（1）真菌毒素残留类（黄曲霉毒素、呕吐毒素、玉米赤霉烯酮、赭曲霉毒素A等）。

（2）激素残留类（莱克多巴胺、克伦特罗、沙丁胺醇、己烯雌酚等）。

（3）水产品安全类（呋喃妥因代谢、呋喃西林代谢、呋喃它酮代谢、呋喃唑酮代谢、孔雀石绿、氯霉素）。

（4）抗生素残留类（磺胺、喹诺酮、喹乙醇等）。

（5）其他（食品有毒有害物质、非法添加物类、水质监测等）。

另有晶格创研生物技术（北京）有限公司以及江西维邦生物科技有限公司也生产量子点荧光定量快速检测产品。

三、展望

量子点在食品安全检测领域的应用研究探索工作还在不断推进，相信未来会不断推出新的产品。

另外，量子点成像芯片的研究在2024年也有了新的突破，据报道，2024年3月，光谷实验室联合科研团队（华中科技大学实验室、温州实验室）研发的胶体量子点成像芯片（也称“视觉芯片”）已实现短波红外成像。目前，已完成小试、中试，可大面积加工，兼容12寸CMOS晶圆制备工艺，同时成本极低，有望颠覆市场。在食品检测、半导体检测等工业应用中，基于短波红外成像的机器视觉如同机器的“眼睛”，具有重要意义。

联合科研团队先后突破了材料-器件-电路-集成-系统5个关键环节，突破传统工艺限制，开拓全新工艺路线，低温一体化集成，开发研制出国内首款量子点红外成像样机，售价将只有国外的1%，成本大大降低。将这种“视觉芯片”装到手机、检测器上，可以“穿透”介质，看到肉眼看不到的“真相”。

参考资料：

神奇的纳米发光材料.朱邦尚.澎湃新闻，2023年11月18日

碳量子点及其荧光探针在食品安全检测应用中的研究进展.杨茂杰等.食品科学，2023年44卷

光谷实验室颠覆性技术突破，量子点芯片成本将降低90%以上.长江日报，2024年3月7日