食品中重金屬離子（如 Pb²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺）的超標污染（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，導致人體肝腎功能損傷、神經系統病變等健康風險，因此建立快速、精準的檢測技術至關重要。傳統檢測方法（如原子吸收光譜、電感耦合等離子體質譜）雖精度高，但需大型設備、專業操作且檢測周期長，難以滿足食品現場快速篩查需求。8-羥基喹啉（8-Hydroxyquinoline，8-HQ）因分子結構中含“羥基-喹啉環”螯合位點，可與重金屬離子特異性結合，且結合后熒光信號發生顯著變化（如熒光增強、淬滅或波長偏移），成為構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計原理切入，系統剖析其在食品中典型重金屬離子檢測中的應用場景、性能優勢，同時探討技術挑戰與優化方向，為食品重金屬安全管控提供技術參考。

一、設計原理與檢測機制

8-羥基喹啉的熒光特性與分子結構密切相關，其探針設計核心是通過“結構修飾增強特異性”與“信號調控提升靈敏度”，實現對重金屬離子的精準識別，具體原理與機制如下：

（一）分子結構與熒光基礎

8-羥基喹啉分子含兩個關鍵功能基團：羥基（-OH） 與喹啉環。喹啉環作為芳香共軛體系，受激發后可產生熒光（最大激發波長約 360nm，最大發射波長約 490nm）；而羥基的氧原子與喹啉環的氮原子可形成“雙齒螯合位點”，為重金屬離子結合提供基礎。未結合金屬離子時，8-羥基喹啉的熒光易因“分子內振動/轉動”或“羥基質子轉移”導致能量耗散，熒光強度較弱；當與重金屬離子結合后，分子剛性增強（振動/轉動受限），且螯合作用抑制質子轉移，熒光信號發生規律性變化，這是實現檢測的核心依據。

（二）探針設計策略：增強特異性與靈敏度

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合），且水溶性低（限制食品 aqueous 基質應用），需通過結構修飾優化性能，常見設計策略包括：

引入特異性識別基團：在8-羥基喹啉的2位、5 位或 7 位引入功能性基團（如氨基、羧基、硫醚基），增強對目標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⁺形成更強的配位作用（Hg²⁺對硫的親和力遠高于其他金屬離子），使探針僅對 Hg²⁺產生熒光響應，避免 Cu²⁺、Pb²⁺的干擾；

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

熒光信號調控：通過“熒光共振能量轉移（FRET）”或“聚集誘導發光（AIE）”機制優化信號。例如，將8-羥基喹啉與熒光素（供體）連接，構建 FRET 探針，未結合金屬離子時供體熒光被抑制，結合后 FRET 效應消失，供體熒光恢復，信號變化更顯著；或設計 AIE 型8-羥基喹啉衍生物，未結合金屬離子時分子分散（熒光弱），結合后形成聚集體（熒光強），提升檢測靈敏度。

（三）檢測機制：熒光增強與淬滅的雙重響應

8-羥基喹啉熒光探針與重金屬離子的結合，主要通過“螯合作用”引發兩種典型熒光響應，適配不同檢測需求：

熒光增強響應：針對 Pb²⁺、Cd²⁺等離子，8-羥基喹啉的羥基與喹啉環氮原子形成穩定螯合物（如1:2 絡合物），分子剛性顯著增強，振動/轉動能量耗散減少，熒光強度提升（增強倍數可達 5-50倍），且熒光發射波長隨螯合物結構變化發生偏移（如從 490nm 紅移至 520nm），可通過熒光強度或波長變化定量離子濃度；

熒光淬滅響應：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態電子發生能量轉移或電子轉移，導致熒光淬滅（淬滅率可達 80%-95%），且淬滅程度與離子濃度呈線性關系，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用場景

基于上述設計與機制，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⁺）的檢測已實現場景化應用，覆蓋液態、固態、半固態等多種食品基質，且檢測性能（靈敏度、特異性、速度）滿足食品現場篩查與實驗室精準檢測需求。

（一）液態食品：飲料、食用油、乳制品中的 Pb²⁺與 Hg²⁺檢測

液態食品基質相對簡單（干擾物質少），8-羥基喹啉熒光探針可直接或經簡單前處理后應用，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 5-10分鐘后，通過熒光光譜儀或便攜式熒光計檢測。該探針與 Pb²⁺結合后熒光增強（發射波長 510nm），在 Pb²⁺濃度 0.1-10μmol/L 范圍內呈線性關系，檢出限低至 0.05 μmol/L（遠低于國家飲用水衛生標準限值 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，需先通過“乙醇萃取”將 Hg²⁺轉移至水溶液中，再用“硫醚修飾的8-羥基喹啉熒光探針”檢測。探針與 Hg²⁺結合后熒光淬滅（發射波長 480nm），在 Hg²⁺濃度 0.05-5 μmol/L 范圍內線性良好，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），檢測時間僅需20分鐘，優于傳統原子吸收光譜法（需1-2 小時）。

（二）固態食品：谷物、蔬菜、肉類中的 Cu²⁺與 Cd²⁺檢測

固態食品需經前處理（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，實現高特異性檢測：

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⁺結合后熒光紅移（從 490nm 至 530nm），且熒光強度隨 Cd²⁺濃度增加而增強，在 0.01-2 μmol/L 范圍內線性關系良好，檢出限 0.005 μmol/L（對應大米中 Cd²⁺含量 0.001 mg/kg，滿足國家標準限值 0.2 mg/kg 的檢測需求）。該方法可同時處理10-20個樣品，前處理+檢測總時間約1小時，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⁺多與蛋白質結合，需通過“三氯乙酸沉淀蛋白質”釋放離子，再用“8-羥基喹啉-熒光素 FRET 探針”檢測。未結合 Cu²⁺時，探針呈熒光素發射（520nm）；結合 Cu²⁺后，FRET 效應觸發，熒光素熒光淬滅，Cu²⁺濃度 0.02-8 μmol/L 范圍內淬滅程度線性增加，檢出限 0.01 μmol/L。肉類中 Cu²⁺的安全限值為10mg/kg（約157 μmol/kg），該探針經稀釋后可精準檢測，且不受 Fe²⁺、Zn²⁺等肉類中常見金屬離子干擾。

（三）半固態食品：醬料、果醬中的多重金屬離子同時檢測

半固態食品（如豆瓣醬、草莓果醬）成分復雜（含大量有機酸、色素、多糖），需設計“多通道8-羥基喹啉熒光探針”實現多種重金屬離子的同時檢測。例如，將“8-羥基喹啉-羅丹明 B”（響應 Pb²⁺，熒光增強，發射 580nm）與“8-羥基喹啉-香豆素”（響應 Cu²⁺，熒光淬滅，發射 450nm）混合，構建雙通道探針體系。檢測時，將醬料經“水提-離心”去除雜質后，加入雙通道探針，根據不同波長下的熒光信號變化，可同時定量 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、技術優勢與現存挑戰

相較于傳統重金屬檢測技術，8-羥基喹啉熒光探針在食品檢測中具有顯著優勢，但在實際應用中仍面臨基質干擾、穩定性、便攜性等挑戰，需通過技術優化突破限制。

（一）核心技術優勢：適配食品檢測的多樣化需求

高特異性與靈敏度：通過結構修飾（如硫醚、氨基基團），8-羥基喹啉探針可實現對目標重金屬離子的“精準識別”，抗干擾能力強（不受食品中常見離子、有機物干擾）；且熒光信號變化顯著（增強或淬滅倍數高），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時間多為 5-30分鐘，前處理流程簡單（液態食品可直接檢測，固態食品僅需基礎消解/萃取），無需大型設備（便攜式熒光計即可現場檢測，成本僅為原子吸收光譜儀的1/10），適合食品加工企業、監管部門的現場篩查；

可視化潛力：部分8-羥基喹啉熒光探針可設計為“試紙條”或“熒光納米傳感器”，通過肉眼觀察熒光顏色變化（如從無色變為綠色，或綠色熒光減弱）實現半定量檢測。例如，將探針負載于硝酸纖維素膜上，制成試紙條，滴加食品提取液后，根據試紙條熒光強度與標準色卡對比，可快速判斷重金屬離子是否超標，檢測時間僅需10分鐘，無需專業操作技能。

（二）現存挑戰與優化方向

復雜基質干擾：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合，或吸收熒光信號，導致檢測誤差。優化方向：通過“分子印跡技術”修飾探針（在探針表面構建與目標離子匹配的印跡空腔），增強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），減少基質影響；

探針穩定性：部分8-羥基喹啉探針在強光、高溫或酸性條件下易分解，導致熒光信號漂移。優化方向：將探針負載于納米載體（如二氧化硅納米顆粒、量子點）中，提升化學穩定性；或設計“閉環結構探針”（如螺環內酯結構），未結合金屬離子時無熒光，結合后開環發光，減少環境因素對信號的影響；

多離子同時檢測的準確性：現有多通道探針對部分離子（如 Cd²⁺與 Zn²⁺）的選擇性仍不足，易出現信號重疊。優化方向：引入“多齒螯合位點”（如在8-羥基喹啉分子中增加吡啶環、酰胺基），增強對特定離子的配位特異性；或結合“機器學習算法”，對多通道熒光信號進行數據分析，提升同時檢測的準確性。

8-羥基喹啉熒光探針基于“特異性螯合-熒光信號響應”機制，通過結構修飾可實現對食品中 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、可現場應用的優勢，已在液態、固態、半固態食品檢測中展現出良好的實用性。其核心價值在于彌補了傳統大型儀器檢測的“效率低、成本高”短板，為食品重金屬污染的“現場篩查-實驗室確證”二級管控體系提供了關鍵技術支撐。未來，需通過分子設計優化（增強穩定性與選擇性）、樣品前處理簡化（適配復雜食品基質）、檢測設備小型化（如集成式熒光傳感器），進一步拓展其在食品全產業鏈（種植、加工、流通）中的應用場景，最終助力食品重金屬安全風險的精準防控。

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