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(huì )通過(guò)食物鏈累積，導致人體肝腎功能損傷、神經(jīng)系統病變等健康風(fēng)險，因此建立快速、精準的檢測技術(shù)至關(guān)重要。傳統檢測方法（如原子吸收光譜、電感耦合等離子體質(zhì)譜）雖精度高，但需大型設備、專(zhuān)業(yè)操作且檢測周期長(cháng)，難以滿(mǎn)足食品現場(chǎng)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(huán)”螯合位點(diǎn)，可與重金屬離子特異性結合，且結合后熒光信號發(fā)生顯著(zhù)變化（如熒光增強、淬滅或波長(cháng)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(chǎng)景、性能優(yōu)勢，同時(shí)探討技術(shù)挑戰與優(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(guān)，其探針設計核心是通過(guò)“結構修飾增強特異性”與“信號調控提升靈敏度”，實(shí)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(gè)關(guān)鍵功能基團：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(cháng)約 360nm，最大發(fā)射波長(cháng)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)”，為重金屬離子結合提供基礎。未結合金屬離子時(shí)，8-羥基喹啉的熒光易因“分子內振動(dòng)/轉動(dòng)”或“羥基質(zhì)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(dòng)/轉動(dòng)受限），且螯合作用抑制質(zhì)子轉移，熒光信號發(fā)生規律性變化，這是實(shí)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(zhì)應用），需通過(guò)結構修飾優(yōu)化性能，常見(jiàn)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(chǎn)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(shí)避免探針團聚導致的熒光淬滅；

熒光信號調控：通過(guò)“熒光共振能量轉移（FRET）”或“聚集誘導發(fā)光（AIE）”機制優(yōu)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(shí)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(zhù)；或設計 AIE 型8-羥基喹啉衍生物，未結合金屬離子時(shí)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(guò)“螯合作用”引發(fā)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(huán)氮原子形成穩定螯合物（如1:2 絡(luò )合物），分子剛性顯著(zhù)增強，振動(dòng)/轉動(dòng)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(fā)射波長(cháng)隨螯合物結構變化發(fā)生偏移（如從 490nm 紅移至 520nm），可通過(guò)熒光強度或波長(cháng)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(huì )與探針的熒光激發(fā)態(tài)電子發(fā)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(xiàn)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用場(chǎng)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(lèi)型重金屬離子（Pb²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺）的檢測已實(shí)現場(chǎng)景化應用，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(mǎn)足食品現場(chǎng)篩查與實(shí)驗室精準檢測需求。

（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(jiǎn)單（干擾物質(zhì)少），8-羥基喹啉熒光探針可直接或經(jīng)簡(jiǎn)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(wú)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(guò)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(fā)射波長(cháng) 510nm），在 Pb²⁺濃度 0.1-10μmol/L 范圍內呈線(xiàn)性關(guān)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(jiàn)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(guò)“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(fā)射波長(cháng) 480nm），在 Hg²⁺濃度 0.05-5 μmol/L 范圍內線(xiàn)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(lèi)中的 Cu²⁺與 Cd²⁺檢測

固態(tài)食品需經(jīng)前處理（如消解、萃?。┽尫胖亟饘匐x子，8-羥基喹啉熒光探針可適配不同前處理方法，實(shí)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(zhì)中，采用“硝酸-過(guò)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(xiàn)性關(guān)系良好，檢出限 0.005 μmol/L（對應大米中 Cd²⁺含量 0.001 mg/kg，滿(mǎn)足國家標準限值 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(lèi)（雞肉、豬肉）中的 Cu²⁺檢測：肉類(lèi)中的 Cu²⁺多與蛋白質(zhì)結合，需通過(guò)“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。未結合 Cu²⁺時(shí)，探針呈熒光素發(fā)射（520nm）；結合 Cu²⁺后，FRET 效應觸發(fā)，熒光素熒光淬滅，Cu²⁺濃度 0.02-8 μmol/L 范圍內淬滅程度線(xiàn)性增加，檢出限 0.01 μmol/L。肉類(lèi)中 Cu²⁺的安全限值為10mg/kg（約157 μmol/kg），該探針經(jīng)稀釋后可精準檢測，且不受 Fe²⁺、Zn²⁺等肉類(lèi)中常見(jiàn)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(shí)現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 Pb²⁺，熒光增強，發(fā)射 580nm）與“8-羥基喹啉-香豆素”（響應 Cu²⁺，熒光淬滅，發(fā)射 450nm）混合，構建雙通道探針體系。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，根據不同波長(cháng)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）、有機酸（如檸檬酸）對熒光信號無(wú)顯著(zhù)干擾，檢測效率較單一探針提升1倍。

三、技術(shù)優(yōu)勢與現存挑戰

相較于傳統重金屬檢測技術(shù)，8-羥基喹啉熒光探針在食品檢測中具有顯著(zhù)優(yōu)勢，但在實(shí)際應用中仍面臨基質(zhì)干擾、穩定性、便攜性等挑戰，需通過(guò)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(guò)結構修飾（如硫醚、氨基基團），8-羥基喹啉探針可實(shí)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(jiàn)離子、有機物干擾）；且熒光信號變化顯著(zhù)（增強或淬滅倍數高），檢出限多低于 0.1 μmol/L，滿(mǎn)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(shí)間多為 5-30分鐘，前處理流程簡(jiǎn)單（液態(tài)食品可直接檢測，固態(tài)食品僅需基礎消解/萃?。?，無(wú)需大型設備（便攜式熒光計即可現場(chǎng)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)、監管部門(mén)的現場(chǎng)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(guò)肉眼觀(guān)察熒光顏色變化（如從無(wú)色變?yōu)榫G色，或綠色熒光減弱）實(shí)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(shí)間僅需10分鐘，無(wú)需專(zhuān)業(yè)操作技能。

（二）現存挑戰與優(yōu)化方向

復雜基質(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?lè )翘禺愋越Y合，或吸收熒光信號，導致檢測誤差。優(yōu)化方向：通過(guò)“分子印跡技術(shù)”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(zhì)），減少基質(zhì)影響；

探針?lè )€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(yōu)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(diǎn)）中，提升化學(xué)穩定性；或設計“閉環(huán)結構探針”（如螺環(huán)內酯結構），未結合金屬離子時(shí)無(wú)熒光，結合后開(kāi)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(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），增強對特定離子的配位特異性；或結合“機器學(xué)習算法”，對多通道熒光信號進(jìn)行數據分析，提升同時(shí)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(guò)結構修飾可實(shí)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(chǎng)應用的優(yōu)勢，已在液態(tài)、固態(tài)、半固態(tài)食品檢測中展現出良好的實(shí)用性。其核心價(jià)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(chǎng)篩查-實(shí)驗室確證”二級管控體系提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。未來(lái)，需通過(guò)分子設計優(yōu)化（增強穩定性與選擇性）、樣品前處理簡(jiǎn)化（適配復雜食品基質(zhì)）、檢測設備小型化（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）中的應用場(chǎng)景，最終助力食品重金屬安全風(fēng)險的精準防控。

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