食品中重金屬離子（如 Pb²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺）的超標(biāo)污染（源于土壤富集、加工器具遷移、廢水灌溉等）會通過食物鏈累積，導(dǎo)致人體肝腎功能損傷、神經(jīng)系統(tǒng)病變等健康風(fēng)險(xiǎn)，因此建立快速、精準(zhǔn)的檢測技術(shù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)檢測方法（如原子吸收光譜、電感耦合等離子體質(zhì)譜）雖精度高，但需大型設(shè)備、專業(yè)操作且檢測周期長，難以滿足食品現(xiàn)場快速篩查需求。8-羥基喹啉（8-Hydroxyquinoline，8-HQ）因分子結(jié)構(gòu)中含“羥基-喹啉環(huán)”螯合位點(diǎn)，可與重金屬離子特異性結(jié)合，且結(jié)合后熒光信號發(fā)生顯著變化（如熒光增強(qiáng)、淬滅或波長偏移），成為構(gòu)建熒光探針的理想分子骨架。本文從8-羥基喹啉熒光探針的設(shè)計(jì)原理切入，系統(tǒng)剖析其在食品中典型重金屬離子檢測中的應(yīng)用場景、性能優(yōu)勢，同時(shí)探討技術(shù)挑戰(zhàn)與優(yōu)化方向，為食品重金屬安全管控提供技術(shù)參考。

一、設(shè)計(jì)原理與檢測機(jī)制

8-羥基喹啉的熒光特性與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，其探針設(shè)計(jì)核心是通過“結(jié)構(gòu)修飾增強(qiáng)特異性”與“信號調(diào)控提升靈敏度”，實(shí)現(xiàn)對重金屬離子的精準(zhǔn)識別，具體原理與機(jī)制如下：

（一）分子結(jié)構(gòu)與熒光基礎(chǔ)

8-羥基喹啉分子含兩個(gè)關(guān)鍵功能基團(tuán)：羥基（-OH） 與喹啉環(huán)。喹啉環(huán)作為芳香共軛體系，受激發(fā)后可產(chǎn)生熒光（最大激發(fā)波長約 360nm，最大發(fā)射波長約 490nm）；而羥基的氧原子與喹啉環(huán)的氮原子可形成“雙齒螯合位點(diǎn)”，為重金屬離子結(jié)合提供基礎(chǔ)。未結(jié)合金屬離子時(shí)，8-羥基喹啉的熒光易因“分子內(nèi)振動/轉(zhuǎn)動”或“羥基質(zhì)子轉(zhuǎn)移”導(dǎo)致能量耗散，熒光強(qiáng)度較弱；當(dāng)與重金屬離子結(jié)合后，分子剛性增強(qiáng)（振動/轉(zhuǎn)動受限），且螯合作用抑制質(zhì)子轉(zhuǎn)移，熒光信號發(fā)生規(guī)律性變化，這是實(shí)現(xiàn)檢測的核心依據(jù)。

（二）探針設(shè)計(jì)策略：增強(qiáng)特異性與靈敏度

純8-羥基喹啉對重金屬離子的選擇性較差（易與多種金屬離子結(jié)合），且水溶性低（限制食品 aqueous 基質(zhì)應(yīng)用），需通過結(jié)構(gòu)修飾優(yōu)化性能，常見設(shè)計(jì)策略包括：

引入特異性識別基團(tuán)：在8-羥基喹啉的2位、5 位或 7 位引入功能性基團(tuán)（如氨基、羧基、硫醚基），增強(qiáng)對目標(biāo)重金屬離子的選擇性。例如，引入硫醚基（-S-R）后，硫原子可與 Hg²⁺形成更強(qiáng)的配位作用（Hg²⁺對硫的親和力遠(yuǎn)高于其他金屬離子），使探針僅對 Hg²⁺產(chǎn)生熒光響應(yīng)，避免 Cu²⁺、Pb²⁺的干擾；

構(gòu)建水溶性修飾：引入羧基（-COOH）、磺酸基（-SO₃H）等親水基團(tuán)，提升探針在食品水溶液（如飲料、湯汁）中的溶解度，同時(shí)避免探針團(tuán)聚導(dǎo)致的熒光淬滅；

熒光信號調(diào)控：通過“熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）”或“聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）”機(jī)制優(yōu)化信號。例如，將8-羥基喹啉與熒光素（供體）連接，構(gòu)建 FRET 探針，未結(jié)合金屬離子時(shí)供體熒光被抑制，結(jié)合后 FRET 效應(yīng)消失，供體熒光恢復(fù)，信號變化更顯著；或設(shè)計(jì) AIE 型8-羥基喹啉衍生物，未結(jié)合金屬離子時(shí)分子分散（熒光弱），結(jié)合后形成聚集體（熒光強(qiáng)），提升檢測靈敏度。

（三）檢測機(jī)制：熒光增強(qiáng)與淬滅的雙重響應(yīng)

8-羥基喹啉熒光探針與重金屬離子的結(jié)合，主要通過“螯合作用”引發(fā)兩種典型熒光響應(yīng)，適配不同檢測需求：

熒光增強(qiáng)響應(yīng)：針對 Pb²⁺、Cd²⁺等離子，8-羥基喹啉的羥基與喹啉環(huán)氮原子形成穩(wěn)定螯合物（如1:2 絡(luò)合物），分子剛性顯著增強(qiáng)，振動/轉(zhuǎn)動能量耗散減少，熒光強(qiáng)度提升（增強(qiáng)倍數(shù)可達(dá) 5-50倍），且熒光發(fā)射波長隨螯合物結(jié)構(gòu)變化發(fā)生偏移（如從 490nm 紅移至 520nm），可通過熒光強(qiáng)度或波長變化定量離子濃度；

熒光淬滅響應(yīng)：針對 Cu²⁺、Fe³⁺等順磁性金屬離子，其未成對電子會與探針的熒光激發(fā)態(tài)電子發(fā)生能量轉(zhuǎn)移或電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致熒光淬滅（淬滅率可達(dá) 80%-95%），且淬滅程度與離子濃度呈線性關(guān)系，適用于高靈敏度檢測。

二、在食品中典型重金屬離子檢測的應(yīng)用場景

基于上述設(shè)計(jì)與機(jī)制，8-羥基喹啉熒光探針對食品中不同類型重金屬離子（Pb²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺）的檢測已實(shí)現(xiàn)場景化應(yīng)用，覆蓋液態(tài)、固態(tài)、半固態(tài)等多種食品基質(zhì)，且檢測性能（靈敏度、特異性、速度）滿足食品現(xiàn)場篩查與實(shí)驗(yàn)室精準(zhǔn)檢測需求。

（一）液態(tài)食品：飲料、食用油、乳制品中的 Pb²⁺與 Hg²⁺檢測

液態(tài)食品基質(zhì)相對簡單（干擾物質(zhì)少），8-羥基喹啉熒光探針可直接或經(jīng)簡單前處理后應(yīng)用，典型案例包括：

飲用水與果汁中的 Pb²⁺檢測：采用“羧基修飾的8-羥基喹啉熒光探針”（水溶性好），無需復(fù)雜前處理，僅需將探針溶液與水樣按比例混合（探針濃度 5-10μmol/L），室溫反應(yīng) 5-10分鐘后，通過熒光光譜儀或便攜式熒光計(jì)檢測。該探針與 Pb²⁺結(jié)合后熒光增強(qiáng)（發(fā)射波長 510nm），在 Pb²⁺濃度 0.1-10μmol/L 范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，檢出限低至 0.05 μmol/L（遠(yuǎn)低于國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值 0.01 mg/L，即 0.048 μmol/L），且不受 Na⁺、K⁺、Ca²⁺等常見離子干擾；

食用油中的 Hg²⁺檢測：食用油為非水基質(zhì)，需先通過“乙醇萃取”將 Hg²⁺轉(zhuǎn)移至水溶液中，再用“硫醚修飾的8-羥基喹啉熒光探針”檢測。探針與 Hg²⁺結(jié)合后熒光淬滅（發(fā)射波長 480nm），在 Hg²⁺濃度 0.05-5 μmol/L 范圍內(nèi)線性良好，檢出限 0.02 μmol/L，符合食用油中 Hg²⁺的安全限值要求（≤0.01 mg/kg，即 0.05 μmol/kg，需稀釋后檢測），檢測時(shí)間僅需20分鐘，優(yōu)于傳統(tǒng)原子吸收光譜法（需1-2 小時(shí)）。

（二）固態(tài)食品：谷物、蔬菜、肉類中的 Cu²⁺與 Cd²⁺檢測

固態(tài)食品需經(jīng)前處理（如消解、萃取）釋放重金屬離子，8-羥基喹啉熒光探針可適配不同前處理方法，實(shí)現(xiàn)高特異性檢測：

大米中的 Cd²⁺檢測：大米中的 Cd²⁺主要富集于淀粉與蛋白質(zhì)中，采用“硝酸-過氧化氫微波消解”前處理后，用“氨基修飾的8-羥基喹啉熒光探針”檢測。探針與 Cd²⁺結(jié)合后熒光紅移（從 490nm 至 530nm），且熒光強(qiáng)度隨 Cd²⁺濃度增加而增強(qiáng)，在 0.01-2 μmol/L 范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，檢出限 0.005 μmol/L（對應(yīng)大米中 Cd²⁺含量 0.001 mg/kg，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)限值 0.2 mg/kg 的檢測需求）。該方法可同時(shí)處理10-20個(gè)樣品，前處理+檢測總時(shí)間約1小時(shí)，適用于谷物批量篩查；

肉類（雞肉、豬肉）中的 Cu²⁺檢測：肉類中的 Cu²⁺多與蛋白質(zhì)結(jié)合，需通過“三氯乙酸沉淀蛋白質(zhì)”釋放離子，再用“8-羥基喹啉-熒光素 FRET 探針”檢測。未結(jié)合 Cu²⁺時(shí)，探針呈熒光素發(fā)射（520nm）；結(jié)合 Cu²⁺后，FRET 效應(yīng)觸發(fā)，熒光素?zé)晒獯銣纾?/span>Cu²⁺濃度 0.02-8 μmol/L 范圍內(nèi)淬滅程度線性增加，檢出限 0.01 μmol/L。肉類中 Cu²⁺的安全限值為10mg/kg（約157 μmol/kg），該探針經(jīng)稀釋后可精準(zhǔn)檢測，且不受 Fe²⁺、Zn²⁺等肉類中常見金屬離子干擾。

（三）半固態(tài)食品：醬料、果醬中的多重金屬離子同時(shí)檢測

半固態(tài)食品（如豆瓣醬、草莓果醬）成分復(fù)雜（含大量有機(jī)酸、色素、多糖），需設(shè)計(jì)“多通道8-羥基喹啉熒光探針”實(shí)現(xiàn)多種重金屬離子的同時(shí)檢測。例如，將“8-羥基喹啉-羅丹明 B”（響應(yīng) Pb²⁺，熒光增強(qiáng)，發(fā)射 580nm）與“8-羥基喹啉-香豆素”（響應(yīng) Cu²⁺，熒光淬滅，發(fā)射 450nm）混合，構(gòu)建雙通道探針體系。檢測時(shí)，將醬料經(jīng)“水提-離心”去除雜質(zhì)后，加入雙通道探針，根據(jù)不同波長下的熒光信號變化，可同時(shí)定量 Pb²⁺（0.05-10μmol/L）與 Cu²⁺（0.02-8 μmol/L），檢出限分別為 0.02 μmol/L 與 0.01 μmol/L，且醬料中的色素（如焦糖色）、有機(jī)酸（如檸檬酸）對熒光信號無顯著干擾，檢測效率較單一探針提升1倍。

三、技術(shù)優(yōu)勢與現(xiàn)存挑戰(zhàn)

相較于傳統(tǒng)重金屬檢測技術(shù)，8-羥基喹啉熒光探針在食品檢測中具有顯著優(yōu)勢，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨基質(zhì)干擾、穩(wěn)定性、便攜性等挑戰(zhàn)，需通過技術(shù)優(yōu)化突破限制。

（一）核心技術(shù)優(yōu)勢：適配食品檢測的多樣化需求

高特異性與靈敏度：通過結(jié)構(gòu)修飾（如硫醚、氨基基團(tuán)），8-羥基喹啉探針可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)重金屬離子的“精準(zhǔn)識別”，抗干擾能力強(qiáng)（不受食品中常見離子、有機(jī)物干擾）；且熒光信號變化顯著（增強(qiáng)或淬滅倍數(shù)高），檢出限多低于 0.1 μmol/L，滿足食品中重金屬離子的痕量檢測需求（多數(shù)限值為 0.01-0.2 mg/kg）；

快速便捷與低成本：探針與重金屬離子的反應(yīng)時(shí)間多為 5-30分鐘，前處理流程簡單（液態(tài)食品可直接檢測，固態(tài)食品僅需基礎(chǔ)消解/萃取），無需大型設(shè)備（便攜式熒光計(jì)即可現(xiàn)場檢測，成本僅為原子吸收光譜儀的1/10），適合食品加工企業(yè)、監(jiān)管部門的現(xiàn)場篩查；

可視化潛力：部分8-羥基喹啉熒光探針可設(shè)計(jì)為“試紙條”或“熒光納米傳感器”，通過肉眼觀察熒光顏色變化（如從無色變?yōu)榫G色，或綠色熒光減弱）實(shí)現(xiàn)半定量檢測。例如，將探針負(fù)載于硝酸纖維素膜上，制成試紙條，滴加食品提取液后，根據(jù)試紙條熒光強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)色卡對比，可快速判斷重金屬離子是否超標(biāo)，檢測時(shí)間僅需10分鐘，無需專業(yè)操作技能。

（二）現(xiàn)存挑戰(zhàn)與優(yōu)化方向

復(fù)雜基質(zhì)干擾：高糖、高脂、高色素食品（如巧克力、醬油）中的成分可能與探針非特異性結(jié)合，或吸收熒光信號，導(dǎo)致檢測誤差。優(yōu)化方向：通過“分子印跡技術(shù)”修飾探針（在探針表面構(gòu)建與目標(biāo)離子匹配的印跡空腔），增強(qiáng)對重金屬離子的選擇性；或采用“樣品凈化步驟”（如固相萃取柱去除干擾物質(zhì)），減少基質(zhì)影響；

探針穩(wěn)定性：部分8-羥基喹啉探針在強(qiáng)光、高溫或酸性條件下易分解，導(dǎo)致熒光信號漂移。優(yōu)化方向：將探針負(fù)載于納米載體（如二氧化硅納米顆粒、量子點(diǎn)）中，提升化學(xué)穩(wěn)定性；或設(shè)計(jì)“閉環(huán)結(jié)構(gòu)探針”（如螺環(huán)內(nèi)酯結(jié)構(gòu)），未結(jié)合金屬離子時(shí)無熒光，結(jié)合后開環(huán)發(fā)光，減少環(huán)境因素對信號的影響；

多離子同時(shí)檢測的準(zhǔn)確性：現(xiàn)有多通道探針對部分離子（如 Cd²⁺與 Zn²⁺）的選擇性仍不足，易出現(xiàn)信號重疊。優(yōu)化方向：引入“多齒螯合位點(diǎn)”（如在8-羥基喹啉分子中增加吡啶環(huán)、酰胺基），增強(qiáng)對特定離子的配位特異性；或結(jié)合“機(jī)器學(xué)習(xí)算法”，對多通道熒光信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提升同時(shí)檢測的準(zhǔn)確性。

8-羥基喹啉熒光探針基于“特異性螯合-熒光信號響應(yīng)”機(jī)制，通過結(jié)構(gòu)修飾可實(shí)現(xiàn)對食品中 Pb²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺等重金屬離子的高靈敏度、高特異性檢測，且具有快速便捷、成本低、可現(xiàn)場應(yīng)用的優(yōu)勢，已在液態(tài)、固態(tài)、半固態(tài)食品檢測中展現(xiàn)出良好的實(shí)用性。其核心價(jià)值在于彌補(bǔ)了傳統(tǒng)大型儀器檢測的“效率低、成本高”短板，為食品重金屬污染的“現(xiàn)場篩查-實(shí)驗(yàn)室確證”二級管控體系提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。未來，需通過分子設(shè)計(jì)優(yōu)化（增強(qiáng)穩(wěn)定性與選擇性）、樣品前處理簡化（適配復(fù)雜食品基質(zhì)）、檢測設(shè)備小型化（如集成式熒光傳感器），進(jìn)一步拓展其在食品全產(chǎn)業(yè)鏈（種植、加工、流通）中的應(yīng)用場景，最終助力食品重金屬安全風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)防控。

本文來源于黃驊市信諾立興精細(xì)化工股份有限公司官網(wǎng) http://www.jdtanchishe.cn/