硒化镉量子点的安全性及在食品领域的应用

雷 鹏，何灿霞，刘晓冬，单毓娟*

（哈尔滨工业大学食品科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090）

摘 要：硒化镉量子点是目前研究最广泛的一种量子点，在生物学、医学及食品领域具有广阔的应用潜力。随着硒化镉量子点的广泛研究及应用，硒化镉量子点的安全性备受人们关注。本文重点综述硒化镉量子点的分类及制备、安全性以及在食品领域应用现状及存在问题。

关键词：硒化镉量子点；安全性；食品

Review of Safety and Application of CdSe Quantum Dot in Food Field

LEI Peng, HE Canxia, LIU Xiaodong, SHAN Yujuan*

(School of Food Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Abstract: Cadmium selenide quantum dot (CdSe QD) is currently one of the most widely studied quantum dots, which has broad potential applications in the fields of biology, medicine and food science. As cadmium selenide quantum dot has been widely studied and applied, its safety has gained much attention. This review focuses on the classification and preparation of CdSe quantum dots, as well as their safety and applications in the food field.

Key words: cadmium selenide quantum dot; safety; food

中图分类号：TS201.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2015）11-0240-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201511045

过去10 年间，具有多种特性的纳米粒子在生物技术、疾病诊断与治疗等方面得到了广泛研究与应用[1-5]。量子点（quantum dot，QD）是粒径小于或者接近激子波尔半径、直径在1～100 nm之间，一定量的原子按着某种方式排列而形成的半导体纳米颗粒[6-7]。当颗粒尺寸进入到纳米量级时，由于其特殊的结构使其具有尺寸效应、表面效应、量子限域效应、协同效应、宏观量子隧道效应等，从而产生一系列不同于其他物质的物理、化学及生物学特性[8-9]。QD具有的特性包括：有效可见光致发光、光漂白稳定性、激发光范围宽、荧光寿命长、随粒径发射波长和随量子大小而发生改变的发射波长以及激发和发射光谱之间的斯托克斯位移较大等[10-13]。此外，某些QD还具有天然毒性小、生物相容性好及亲水性高等特性[1,14-16]。基于这些优良的品质，QD已经作为一种新的荧光染料，在药物传递[15]、药物检测[17-18]、微生物检测[19-21]等方面大量应用。用于荧光标记的量子点按元素周期表可分为Ⅵ族、
Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族和Ⅳ-Ⅵ族等，其中Ⅱ-Ⅵ族的半导体纳米粒子如镉量子点已经在很多领域应用。镉量子点可分为硫化镉[22-24]、硒化镉、碲化镉[25-26]以及具有壳核结构的硒化镉/硫化锌[27]、硒化镉/硒化锌[28]、硒化镉/
硫化镉[13,29]等。本文主要介绍硒化镉量子点的制备、安全性以及在食品中的运用。

1 硒化镉量子点的制备

硒化镉量子点之所以被广泛应用，最大优势在于其发射波长范围宽，即从红外光谱一直到紫外光谱区，可以随着粒子的大小变化。目前，硒化镉量子点的制备方法主要分为两种，即在有机相中合成和在水相中合成。

1.1 有机相中合成

最成功的有机合成方法之一是在三辛基氧化膦（trioctylphosphine oxide，TOPO）、三正辛基膦（tri-n-octylphosphine，TOP）和十六烷基胺作为稳定剂，与有机金属前体反应合成。Murray等[30]将1 mL含有13.35 mmol的甲基镉加入到含有25 mL TOP溶液中形成溶液A；然后将10 mL 1.0 mol/L的TOPSe储备溶液加入到15.0 mL的TOP中形成溶液B，混合A、B溶液，然后吸入到50 mL注射器里，随后将混合液一次性快速注射到含有200 ℃ TOPO的烧瓶里，得到在440～460 nm波长范围内有吸收的深黄/橙色溶液，继续加热（230～260 ℃），硒化镉量子点逐渐形成。该学者所制备的高质量硒化镉量子点具有尖锐的吸收特点和强的“带边”发射波长，其发射波长随粒径大小可调的。Suganthi等[31]以硬脂酸镉为镉源，TOPO/TOP为稳定剂，合成硒化镉量子点，平均粒径为2.5 nm。通过TOPO-TOP的方法所制备的硒化镉量子点具有高质量的光致发光量子效率、优良的单分散性、高的光稳定性。但是通过有机合成法合成的硒化镉量子点如果对其表面不进行基团修饰的话，只能溶于非极性的有机溶液中，因而很难应用于生物技术领域。尽管通过表面修饰过程可以增加其水溶性，但是所制备的水溶性量子点其量子效率低，同时表面修饰会减小硒化镉的光致发光。这些缺陷促使学者们进一步探寻其他合成方法。

1.2 水相中合成

由于有机合成法需要无氧、高温，急需一种比较绿色的合成方法——水相合成法。相比有机金属合成方法，水相合成方法是一种有效、简便的方法，具有温和、简单、低成本，并且能够进行大规模生产等的优势[32]。目前，水相中合成的水溶性硒化镉量子点通常都包括两个步骤：首先是制备硒前体分子，然后是合成硒化镉量子点。Deng Dawei等[11]在N2环境下，将无水乙醇逐滴加入到硒和硼氢化钠的溶液中，45 ℃条件下反应生成NaHSe前体；然后加入稀释的硫酸使其产生H2Se气体，然后通入到氯化镉的缓冲液中，在一定温度下形成硒化镉量子点。常见的硒前体有H2Se、NaHSe、Na2SeSO3，很容易被氧化，因此这些前体物质的生产和保存必须在惰性环境下。为了克服上述缺陷，Chen Xianfeng等[10,33]创新性地运用了一步合成法：将含有0.064 g的Cd(Ac)2•2H2O和50.22 µL的3-巯基丙酸的溶液（pH 9.3），置于无氧并剧烈振荡条件下，加入硒酸钠，然后进行100 ℃回流，最终制成硒化镉量子点。此法所得的硒化镉量子点具有更强的光致发光，粒径极小，并且最小粒径的硒化镉量子点的1s-1s电子跃迁是在345 nm。水相中合成法虽然可以使硒化镉量子点具有水溶性，但是量子点的荧光强度仍然比不上有机相中合成，目前量子点的荧光强度测定，仍然以有机合成法的荧光强度作为比较。

上述两种方法所制备的晶体，其晶核形成和成长必须在相似的体系中，因此不能通过不同的水溶性前体分子合成油溶性的量子点。为达到该目的，学者们有设计了两相合成法制备油溶性的硒化镉量子点。Pan Daocheng等[34]用肉豆蔻酸镉作为镉源，溶于甲苯，以水溶性的NaHSe作为硒源，溶于水；两相混合，硒化镉量子点在甲苯与水两相界面中形成；形成的粒子粒径为1.2～3.2 nm。两相合成法可以在较低温度下进行的，它不需要有机合成法所必须的高温制备环境，相对于贵重金属量子点如Au、Pd等需要低温的是非常合适的。

2 硒化镉量子点在食品领域的应用

硒化镉量子点作为一种新颖的荧光探针，在生物医学领域已经得到了广泛的应用，并达到了满意的效果。Ding Liyun等[35]以硒化镉量子点为敏感膜测定溶液中的一氧化氮的含量，其最低检测限达到1.0×10－8 mol/L。陈莉华等[36]成功合成硒化镉量子点，并用于标记胃蛋白酶。Hong Lei等[37]创新性地将硒化镉量子点与乳腺癌细胞共同孵育，量子点优先积累在乳腺癌细胞质里；提示硒化镉量子点将在肿瘤成像与治疗上具有强大的发展潜力。硒化镉量子点在生物医学领域的应用已有很多篇文献进行综述，在此不再赘述。本文将重点综述近年来硒化镉量子点在食品领域的应用。

2.1 食源性致病菌的检测

我国食品受到食源性致病菌的污染尤其严重，主要的食源性致病菌有沙门氏菌、大肠杆菌、单增李斯特菌、志贺氏菌等。目前，食源性致病菌快速检测手段多是利用免疫学、代谢学、分子生物学和生物传感器等原理进行设计[38]。量子点作为一种新的荧光分析法，被认为是一种快速简便的定量分析检测方法。采用水相合成方法，以谷胱甘肽为稳定剂合成高稳定性的硒化镉量子点，然后利用化学偶联剂的作用使得量子点表面基团与菌体发生结合，成功建立了一种快速简便的大肠杆菌检测定量分析方法[39]；该方法的检测线性范围为1.0×103～1.0×109 CFU/mL，检测限为1.0×102 CFU/mL。
Xue Xiuheng等[40]用巯基乙酸为配体合成高荧光强度、高稳定的水溶性硒化镉量子点，后者可与目标细菌（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌）共价结合，从而建立了一种快速简便的细菌测量方法。该荧光测定方法能够测定大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的总菌数范围为
102～107 CFU/mL，在1～2 h内完成测定，荧光强度与总菌数呈现线性关系。

2.2 重金属残留的检测

食品重金属污染的事件在我国屡次出现，例如广西贵州思的村出现“镉米”事件，导致50多位患者出现软骨病；湖南浏阳镉污染事件等。重金属检测可以有效地避免误食含有重金属超标的食品。利用荧光猝灭法可以建立一种重金属微量检测方法。用硒化镉作为荧光探针，当汞离子在1.0×10－6～8.0×10－8 mol/L浓度范围时，对硒化镉量子点具有较强的猝灭作用，利用该特性成功建立了食品中汞残留的灵敏检测方法。Chen Shutang等[41]用合成的水溶性硒化镉量子点检测铜离子的浓度，使铜离子的检测范围在2×10－8～3.510×10－7 mol/L，最近检测限达到3.4 nmol/L。Sung等[42]基于硒化镉量子点能与三价铬离子发生强烈的猝灭作用，合成了水溶性硒化镉量子点并用于测定铬离子含量，三价铬离子检测范围浓度为0.1～20 μmol/L。

2.3 农药残留的检测

近年来，硒化镉量子点用于农药残留检测的研究逐渐增多。针对多数农药的脂溶性特性，有学者采用有机合成法合成油溶性硒化镉量子点，利用农药水胺硫磷对油溶性硒化镉量子点产生荧光猝灭，建立一种简单、快速、直接检测水胺硫磷的新方法。该方法中水胺硫磷浓度在2.3×10－7～1.09×10－5 mol/L范围内有良好的线性关系，最低检测限为1.1×10－7 mol/L[43]。Li Haibing等[44]将分子印迹修饰的纳米硅球嵌入硒化镉量子点用于测定氯氟氰菊酯含量。硒化镉量子点的荧光强度随着氯氟氰菊酯的浓度在0.1～1 000 μmol/L内增加而线性减少，其最低检测限达到3.6 μg/L。

2.4 其他食品领域应用

硒化镉量子点除了在以上食品领域应用外，在食品组成成分分析、食品酶学检测、化学性毒性等方法的应用也逐渐被尝试。利用硒化镉量子点与溶菌酶之间的相互作用，采用共振光散射法建立简单快速检测溶菌酶的新方法[45]。Jin Weijin等[46]基于氰化物对硒化镉量子点的猝灭作用，对硒化镉量子点进行表面修饰后，用于测定氰化物的含量，该方法对微量氰化物很敏感。Wang Xiaoqiong等[47]合成水溶性、高荧光、高稳定性的硒化镉量子点用于检测氨基酸。磺酸基芳烃（p-sulfonatocalix(n)arene，n=4、6）修饰的硒化镉量子点对蛋氨酸特别敏感，用朗格缪尔结合等温方程（the Langmuir binding isotherm equation）推导得蛋氨酸在1.0×10－7～5×10－4 mol/L
内呈线性关系（p-sulfonatocalix(n)arene，n=4）；该量子点还被用于检测苯基丙氨酸（p-sulfonatocalix(n)arene，n=6）。这些研究都预示了硒化镉量子点在食品氨基酸分析上的应用前景。

3 硒化镉量子点的安全性研究

人工合成的硒化镉已经成为生物医学、食品检测的重要工具。药物治疗、生物检测过程甚至是日常的工作生活等都可能使人体暴露在纳米量子点环境中。目前人们对硒化镉量子点各方面的认识还不充分，硒化镉量子点的暴露对人体健康的产生的潜在威胁还不明确。本文仅对现有的安全性研究资料进行整理分析。

硒化镉量子点含有镉重金属元素，而镉的毒性研究已经超过了50 年[48]。镉离子能够与线粒体内的巯基物质结合，导致氧化应激，改变线粒体的通透性，降低线粒体的呼吸作用，可能引起肝毒性[49]。硒化镉量子点进入机体后，通过生物降解或者光降解而释放出镉金属离子，在机体内经过肝肾代谢，可在肝、肾、肺、大脑等器官聚集，从而对细胞、组织、器官产生毒性。量子点释放镉离子的毒性研究已经被广泛的报道[48,50-51]。例如Kim等[52]研究在紫外线（ultraviolet，UV）存在下，不同表面修饰的CdSe/ZnSe量子点的毒性，镉离子与量子点共存时会引起更强的细胞的氧化应激反应。硒作为人体的一种微量元素，具有对机体多种有益的生物学功能，但硒元素过量，也会产生毒性作用。人群研究资料表明，当人体长期每天摄入硒4.99 mg可发生慢性硒中毒。Kirchner等[51]研究了硒化镉中这两种离子的毒性效应剂量，发现镉离子的毒效应在（0.4±0.13）μmol/L浓度范围产生，硒离子浓度在高达40 μmol/L仍然不产生毒效应。可见，硒化镉量子点的毒性基本上是来源于镉离子的释放。目前硒化镉量子点的安全性研究资料也支持上述推论。

3.1 体外毒性实验研究

量子点能够被细胞通过内吞方式进入细胞，并且优先聚集在溶酶体[50]。溶酶体具有较低的pH值，因此在此种酸性条件下，进入溶酶体内的量子点能够被破坏，从而释放出镉离子。目前认为，镉量子点细胞毒性作用机制主要是镉离子的释放及其引起的氧化应激。Wang Lin等[53]研究了硒化镉量子点对肠上皮细胞Caco-2的毒性作用。结果表明硒化镉量子点会导致小肠细胞脱落并且死亡；而量子点的表面修饰以及处理方式可在很大程度上决定硒化镉的毒性；胃酸会加强硒化镉量子点的毒性。Kirchner等[51]的研究表明，硒化镉量子点对NPK纤维组织母细胞的毒性是来自量子点释放的镉离子，镉离子毒性在（0.6±0.12） μmol/L出现；量子点被细胞吸收的程度直接影响细胞的毒性。Liang Jiangong等[54]以核酸分子“光开关”作为探针，分别在有无紫外光下，研究硒化镉量子点对DNA作用。结果表明硒化镉量子点引起的DNA损伤与硒化镉量子点释放的镉离子无关，而是由于产生的自由基和活性氧。Tang Mingliang等[55]的研究结果提示，硒化镉量子点诱导的小鼠海马神经元细胞死亡呈剂量依赖性，硒化镉可导致钙离子内流和内质网释放钙离子增多，从而使细胞浆中的钙含量随着硒化镉作用时间延长而增多。

3.2 体内毒性实验研究

硒化镉量子点的毒性研究多集中在离体实验条件下。但是，由于硒化镉量子点的毒性与其体内的分布、代谢、吸收等密切相关，因此其相关的整体实验研究结果对于揭示硒化镉毒性作用及机制是至关重要和不可或缺的。Liu Wei等[56]在小鼠体内进行了硒化镉量子点的急性毒性和慢性毒性实验。发现硒化镉量子点可以很容易进入多种器官，其中肝脏是主要富集的部位；硒化镉量子点对肝脏损害作用较明显，主要表现为：出现无序的肝细胞索、中央静脉扩张及肝细胞中丙二醛含量显著增加；此外还发现，相同剂量的硒化镉量子点和镉离子，硒化镉的毒性比镉离子大，提示硒化镉量子点的生物毒性不仅来自硒化镉本身，而且来自硒化镉量子点释放出的镉离子。Arslan等[57]研究了巯基修饰的水溶性硒化镉量子点在小鼠体内的代谢及毒性，发现硒化镉量子点与镉离子呈现不同的蓄积特性。水溶性的硒化镉量子点所释放的镉离子在肝肾器官有很强的蓄积，而且肾脏的蓄积作用强于肝脏，而硒化镉量子点在肝脏蓄积比肾脏多。量子点和镉离子在肝肾器官的蓄积量随着量子点使用剂量增大而增多。

4 结 语

硒化镉量子点是目前研究最广泛的量子点。有机合成方法合成的硒化镉量子点的性能最好。目前硒化镉量子点作为新的快速、简便、直接的定性定量的荧光探针，已经在食品安全的多个领域得到广泛的应用，同时在食品组成成分分析特别是氨基酸分析等方面的应用也逐渐崭露头角。但是值得注意的是，硒化镉量子点可能在某些情况下释放镉离子，并引起氧化应激和主要脏器的损伤。因此，为使硒化镉量子点在食品领域更为安全和广泛的应用，硒化镉量子点必须具有良好的水溶性和生物相容性、无毒等基本特性。未来，硒化镉量子点将在改进合成方法、寻求更好的合成原材料以及表面修饰和形成多种壳核结构等方面得到更加长足的发展。

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