8-羟基喹啉荧光探针在食品中重金属离子检测中的应用

食品中重金属离子（如 Pb²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺）的超标污染（源于土壤富集、加工器具迁移、废水灌溉等）会通过食物链累积，导致人体肝肾功能损伤、神经系统病变等健康风险，因此建立快速、精准的检测技术至关重要。传统检测方法（如原子吸收光谱、电感耦合等离子体质谱）虽精度高，但需大型设备、专业操作且检测周期长，难以满足食品现场快速筛查需求。8-羟基喹啉（8-Hydroxyquinoline，8-HQ）因分子结构中含“羟基-喹啉环”螯合位点，可与重金属离子特异性结合，且结合后荧光信号发生显著变化（如荧光增强、淬灭或波长偏移），成为构建荧光探针的理想分子骨架。本文从8-羟基喹啉荧光探针的设计原理切入，系统剖析其在食品中典型重金属离子检测中的应用场景、性能优势，同时探讨技术挑战与优化方向，为食品重金属安全管控提供技术参考。

一、设计原理与检测机制

8-羟基喹啉的荧光特性与分子结构密切相关，其探针设计核心是通过“结构修饰增强特异性”与“信号调控提升灵敏度”，实现对重金属离子的精准识别，具体原理与机制如下：

（一）分子结构与荧光基础

8-羟基喹啉分子含两个关键功能基团：羟基（-OH） 与喹啉环。喹啉环作为芳香共轭体系，受激发后可产生荧光（最大激发波长约 360nm，最大发射波长约 490nm）；而羟基的氧原子与喹啉环的氮原子可形成“双齿螯合位点”，为重金属离子结合提供基础。未结合金属离子时，8-羟基喹啉的荧光易因“分子内振动/转动”或“羟基质子转移”导致能量耗散，荧光强度较弱；当与重金属离子结合后，分子刚性增强（振动/转动受限），且螯合作用抑制质子转移，荧光信号发生规律性变化，这是实现检测的核心依据。

（二）探针设计策略：增强特异性与灵敏度

纯8-羟基喹啉对重金属离子的选择性较差（易与多种金属离子结合），且水溶性低（限制食品 aqueous 基质应用），需通过结构修饰优化性能，常见设计策略包括：

引入特异性识别基团：在8-羟基喹啉的2位、5 位或 7 位引入功能性基团（如氨基、羧基、硫醚基），增强对目标重金属离子的选择性。例如，引入硫醚基（-S-R）后，硫原子可与 Hg²⁺形成更强的配位作用（Hg²⁺对硫的亲和力远高于其他金属离子），使探针仅对 Hg²⁺产生荧光响应，避免 Cu²⁺、Pb²⁺的干扰；

构建水溶性修饰：引入羧基（-COOH）、磺酸基（-SO₃H）等亲水基团，提升探针在食品水溶液（如饮料、汤汁）中的溶解度，同时避免探针团聚导致的荧光淬灭；

荧光信号调控：通过“荧光共振能量转移（FRET）”或“聚集诱导发光（AIE）”机制优化信号。例如，将8-羟基喹啉与荧光素（供体）连接，构建 FRET 探针，未结合金属离子时供体荧光被抑制，结合后 FRET 效应消失，供体荧光恢复，信号变化更显著；或设计 AIE 型8-羟基喹啉衍生物，未结合金属离子时分子分散（荧光弱），结合后形成聚集体（荧光强），提升检测灵敏度。

（三）检测机制：荧光增强与淬灭的双重响应

8-羟基喹啉荧光探针与重金属离子的结合，主要通过“螯合作用”引发两种典型荧光响应，适配不同检测需求：

荧光增强响应：针对 Pb²⁺、Cd²⁺等离子，8-羟基喹啉的羟基与喹啉环氮原子形成稳定螯合物（如1:2 络合物），分子刚性显著增强，振动/转动能量耗散减少，荧光强度提升（增强倍数可达 5-50倍），且荧光发射波长随螯合物结构变化发生偏移（如从 490nm 红移至 520nm），可通过荧光强度或波长变化定量离子浓度；

荧光淬灭响应：针对 Cu²⁺、Fe³⁺等顺磁性金属离子，其未成对电子会与探针的荧光激发态电子发生能量转移或电子转移，导致荧光淬灭（淬灭率可达 80%-95%），且淬灭程度与离子浓度呈线性关系，适用于高灵敏度检测。

二、在食品中典型重金属离子检测的应用场景

基于上述设计与机制，8-羟基喹啉荧光探针对食品中不同类型重金属离子（Pb²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺）的检测已实现场景化应用，覆盖液态、固态、半固态等多种食品基质，且检测性能（灵敏度、特异性、速度）满足食品现场筛查与实验室精准检测需求。

（一）液态食品：饮料、食用油、乳制品中的 Pb²⁺与 Hg²⁺检测

液态食品基质相对简单（干扰物质少），8-羟基喹啉荧光探针可直接或经简单前处理后应用，典型案例包括：

饮用水与果汁中的 Pb²⁺检测：采用“羧基修饰的8-羟基喹啉荧光探针”（水溶性好），无需复杂前处理，仅需将探针溶液与水样按比例混合（探针浓度 5-10μmol/L），室温反应 5-10分钟后，通过荧光光谱仪或便携式荧光计检测。该探针与 Pb²⁺结合后荧光增强（发射波长 510nm），在 Pb²⁺浓度 0.1-10μmol/L 范围内呈线性关系，检出限低至 0.05 μmol/L（远低于国家饮用水卫生标准限值 0.01 mg/L，即 0.048 μmol/L），且不受 Na⁺、K⁺、Ca²⁺等常见离子干扰；

食用油中的 Hg²⁺检测：食用油为非水基质，需先通过“乙醇萃取”将 Hg²⁺转移至水溶液中，再用“硫醚修饰的8-羟基喹啉荧光探针”检测。探针与 Hg²⁺结合后荧光淬灭（发射波长 480nm），在 Hg²⁺浓度 0.05-5 μmol/L 范围内线性良好，检出限 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，需稀释后检测），检测时间仅需20分钟，优于传统原子吸收光谱法（需1-2 小时）。

（二）固态食品：谷物、蔬菜、肉类中的 Cu²⁺与 Cd²⁺检测

固态食品需经前处理（如消解、萃取）释放重金属离子，8-羟基喹啉荧光探针可适配不同前处理方法，实现高特异性检测：

大米中的 Cd²⁺检测：大米中的 Cd²⁺主要富集于淀粉与蛋白质中，采用“硝酸-过氧化氢微波消解”前处理后，用“氨基修饰的8-羟基喹啉荧光探针”检测。探针与 Cd²⁺结合后荧光红移（从 490nm 至 530nm），且荧光强度随 Cd²⁺浓度增加而增强，在 0.01-2 μmol/L 范围内线性关系良好，检出限 0.005 μmol/L（对应大米中 Cd²⁺含量 0.001 mg/kg，满足国家标准限值 0.2 mg/kg 的检测需求）。该方法可同时处理10-20个样品，前处理+检测总时间约1小时，适用于谷物批量筛查；

肉类（鸡肉、猪肉）中的 Cu²⁺检测：肉类中的 Cu²⁺多与蛋白质结合，需通过“三氯乙酸沉淀蛋白质”释放离子，再用“8-羟基喹啉-荧光素 FRET 探针”检测。未结合 Cu²⁺时，探针呈荧光素发射（520nm）；结合 Cu²⁺后，FRET 效应触发，荧光素荧光淬灭，Cu²⁺浓度 0.02-8 μmol/L 范围内淬灭程度线性增加，检出限 0.01 μmol/L。肉类中 Cu²⁺的安全限值为10mg/kg（约157 μmol/kg），该探针经稀释后可精准检测，且不受 Fe²⁺、Zn²⁺等肉类中常见金属离子干扰。

（三）半固态食品：酱料、果酱中的多重金属离子同时检测

半固态食品（如豆瓣酱、草莓果酱）成分复杂（含大量有机酸、色素、多糖），需设计“多通道8-羟基喹啉荧光探针”实现多种重金属离子的同时检测。例如，将“8-羟基喹啉-罗丹明 B”（响应 Pb²⁺，荧光增强，发射 580nm）与“8-羟基喹啉-香豆素”（响应 Cu²⁺，荧光淬灭，发射 450nm）混合，构建双通道探针体系。检测时，将酱料经“水提-离心”去除杂质后，加入双通道探针，根据不同波长下的荧光信号变化，可同时定量 Pb²⁺（0.05-10μmol/L）与 Cu²⁺（0.02-8 μmol/L），检出限分别为 0.02 μmol/L 与 0.01 μmol/L，且酱料中的色素（如焦糖色）、有机酸（如柠檬酸）对荧光信号无显著干扰，检测效率较单一探针提升1倍。

三、技术优势与现存挑战

相较于传统重金属检测技术，8-羟基喹啉荧光探针在食品检测中具有显著优势，但在实际应用中仍面临基质干扰、稳定性、便携性等挑战，需通过技术优化突破限制。

（一）核心技术优势：适配食品检测的多样化需求

高特异性与灵敏度：通过结构修饰（如硫醚、氨基基团），8-羟基喹啉探针可实现对目标重金属离子的“精准识别”，抗干扰能力强（不受食品中常见离子、有机物干扰）；且荧光信号变化显著（增强或淬灭倍数高），检出限多低于 0.1 μmol/L，满足食品中重金属离子的痕量检测需求（多数限值为 0.01-0.2 mg/kg）；

快速便捷与低成本：探针与重金属离子的反应时间多为 5-30分钟，前处理流程简单（液态食品可直接检测，固态食品仅需基础消解/萃取），无需大型设备（便携式荧光计即可现场检测，成本仅为原子吸收光谱仪的1/10），适合食品加工企业、监管部门的现场筛查；

可视化潜力：部分8-羟基喹啉荧光探针可设计为“试纸条”或“荧光纳米传感器”，通过肉眼观察荧光颜色变化（如从无色变为绿色，或绿色荧光减弱）实现半定量检测。例如，将探针负载于硝酸纤维素膜上，制成试纸条，滴加食品提取液后，根据试纸条荧光强度与标准色卡对比，可快速判断重金属离子是否超标，检测时间仅需10分钟，无需专业操作技能。

（二）现存挑战与优化方向

复杂基质干扰：高糖、高脂、高色素食品（如巧克力、酱油）中的成分可能与探针非特异性结合，或吸收荧光信号，导致检测误差。优化方向：通过“分子印迹技术”修饰探针（在探针表面构建与目标离子匹配的印迹空腔），增强对重金属离子的选择性；或采用“样品净化步骤”（如固相萃取柱去除干扰物质），减少基质影响；

探针稳定性：部分8-羟基喹啉探针在强光、高温或酸性条件下易分解，导致荧光信号漂移。优化方向：将探针负载于纳米载体（如二氧化硅纳米颗粒、量子点）中，提升化学稳定性；或设计“闭环结构探针”（如螺环内酯结构），未结合金属离子时无荧光，结合后开环发光，减少环境因素对信号的影响；

多离子同时检测的准确性：现有多通道探针对部分离子（如 Cd²⁺与 Zn²⁺）的选择性仍不足，易出现信号重叠。优化方向：引入“多齿螯合位点”（如在8-羟基喹啉分子中增加吡啶环、酰胺基），增强对特定离子的配位特异性；或结合“机器学习算法”，对多通道荧光信号进行数据分析，提升同时检测的准确性。

8-羟基喹啉荧光探针基于“特异性螯合-荧光信号响应”机制，通过结构修饰可实现对食品中 Pb²⁺、Cu²⁺、Hg²⁺、Cd²⁺等重金属离子的高灵敏度、高特异性检测，且具有快速便捷、成本低、可现场应用的优势，已在液态、固态、半固态食品检测中展现出良好的实用性。其核心价值在于弥补了传统大型仪器检测的“效率低、成本高”短板，为食品重金属污染的“现场筛查-实验室确证”二级管控体系提供了关键技术支撑。未来，需通过分子设计优化（增强稳定性与选择性）、样品前处理简化（适配复杂食品基质）、检测设备小型化（如集成式荧光传感器），进一步拓展其在食品全产业链（种植、加工、流通）中的应用场景，最终助力食品重金属安全风险的精准防控。

本文来源于黄骅市信诺立兴精细化工股份有限公司官网 http://www.xnlxgroup.com/