摘 要：汞离子（Hg2+）具有持久性、易迁移性、易富集性等特点，会严重破坏农作物的生长环境，影响农作物的发育，进一步威胁农产品的质量安全和人类身体健康。荧光法操作简便，灵敏度高。其中，荧光探针是影响荧光分析性能的关键因素。碳点（Carbon Dots，CDs）具有制备简单、荧光效率高、生物相容性好等优点，基于CDs构建的荧光传感器在农业信息感知领域引起了广泛的关注。该研究主要综述了基于生物质来源的CDs合成、基于CDs传感器的构建及其在农业传感领域的应用。着重介绍了基于CDs构建的荧光猝灭型、荧光增强型、比率型荧光传感器在Hg2+检测方面的应用及研究进展，总结了不同分析模式中所用的探针材料、实际样品及检测Hg2+的分析性能情况，并对比了不同分析模式的优缺点。最后，分析了基于CDs构建的荧光传感器在农业传感领域的瓶颈问题及发展趋势，指出开发便携式设备实现Hg2+或多组分的同时、快速、可视化检测是本领域的发展方向。
关键词：传感器；荧光；汞；碳点；比率荧光；农业环境
0 引 言
近年来，随着工业化、农业现代化及城镇化进程的加快，大量重金属污染物通过“三废”的超标排放、生活垃圾的随意倾倒及农药化肥的违规施用等方式进入农业生产环境，造成了包括土壤污染、水污染和空气污染在内的重金属污染问题，这已成为世界性的难题[1-3]。重金属污染直接影响农作物生长发育，威胁农产品质量安全，引起农作物减产甚至死亡。“民以食为天，食以土为本”，因此，建立高灵敏、高选择性的重金属检测方法，对维护农业生产环境、保障农产品质量安全、保护人类身体健康具有重要意义。2006年Sun等[4]命名的“碳纳米点”（Carbon Dots，CDs /C-dots/ CQDs，本文统一为CDs）由于制备简单、荧光度高、生物相容性好、毒性低、水溶性好和表面易功能化等特性，在光电器件、生物成像、光热治疗、离子检测等领域得到了广泛的应用[5-7]。
基于CDs构建的荧光传感器在农药残留、农业生产环境中重金属离子和阴离子、农产品功能成分（维生素、葡萄糖、氨基酸等）与违禁添加剂（三聚氰胺等）检测等方面引起科研工作者的广泛关注[8-10]。例如，Zhan等[11]以新鲜樱桃番茄为原料，采用水热法合成了一种简单、经济、绿色的水溶性CDs。该CDs对农药除草剂氟乐灵具有较高的选择性，从而建立了基于CDs的氟乐灵检测平台。农田土壤样品经过预处理后，在其提取液中未检出氟乐灵，样品加标检测的回收率为94.6%～103.2%，相对标准偏差小于3.5%，显示该方法具有较高的分析精度。陆婷婷等[12]利用银纳米粒子与柠檬酸-乙二胺CDs之间的荧光共振能量转移效应，结合核酸适配体特异性识别乐果的特性，建立了乐果检测的适配体荧光传感器，实现对农药乐果的高灵敏度定量检测和可视化定性检测。刘鼎[13]采用微波法合成表面修饰氨基的CDs，发现农药精喹禾灵能显著地猝灭CDs的荧光强度。进一步将CDs与CdSe/ZnS量子点混合，混色溶液的颜色随着农药高效氯氰菊酯浓度的增加发生由红到蓝的变化，实现了可视化定性分析。此外，基于CDs构建的荧光传感器还可用于农产品中抗生素（如四环素、土霉素等）、激素类兽药（如己烯雌酚、瘦肉精等）的检测分析[8,10]。其原理大都是基于CDs与金属离子或相应适配体等形成复合体系，再与待测组分发生相互作用，荧光强度变化与待测组分浓度之间存在一定线性关联性，从而实现待测组分的定性定量分析。
重金属离子污染对人类健康和自然环境产生巨大的威胁，基于CDs构建的荧光传感器已广泛应用于土壤、河水等中Fe3+、Cu2+、Hg2+、Ag+、Al3+、Pb2+、Cd2+等金属离子的检测[6,14]。Hg2+是土壤污染中出现频率最高、毒性最强的重金属离子之一，可以通过食物链累积在人体内，具有持久性、易迁移性、富集性等特点，对内分泌系统、大脑、肾脏甚至神经系统产生严重损害[15]。在Hg2+检测方面，近年来，荧光传感技术由于具有无损检测、超灵敏、响应速度快等优点[16]，其应用受到了广泛的关注，已经开发出部分传感器实现了Hg2+的灵敏、选择性检测[17-18]。以CDs为基础材料构建的荧光传感器得到更广泛的关注与应用[19-24]。有部分学者对用于检测Hg2+的荧光传感器进行了综述，分析了常见的Hg2+荧光探针，例如有机染料、上转换荧光材料、半导体量子点、碳纳米材料、贵金属纳米簇、金属配体配合物、金属有机框架材料等在Hg2+检测方面的研究进展[25-31]，指出有机染料荧光探针存在易发生荧光漂白，半导体量子点探针存在毒性、疏水性、合成复杂等问题，上述各类荧光传感器在应用方面受到一定限制。设计和开发新型CDs荧光传感器受到科研人员越来越多的关注，有必要对CDs荧光传感器在Hg2+检测方面的研究进展进行进一步总结分析。因此，本研究对CDs合成生物质来源及用于Hg2+检测的CDs荧光传感器的开发进行综述，以期为CDs在农业领域的进一步应用提供依据。
1 CDs合成生物质来源
CDs的合成方法主要分为自上而下法和自下而上法。自上而下法是以石墨、碳纳米管等大块碳材料为原料，通过激光剥离、电弧放电、电化学氧化等物理化学方法得到较小的碳纳米粒子，这类方法往往存在试验条件严苛、制备过程较复杂、部分仪器较为昂贵、荧光量子产率较低等问题；自下而上法则是以各种含碳有机小分子为前驱体，通过超声法、微波辅助加热法、水热法等实现小分子的碳化及进一步聚合最终形成CDs[8]。自下而上法中，研究者对使用天然物质合成CDs显得更加青睐，如图1所示，农作物（萝卜、香菇、生姜等蔬菜、西瓜皮、橘子汁等水果）、动物废弃物（羊毛、粪便等）、植物废弃物（秸秆、杂草、稻壳、花瓣、树叶等）、农产品废弃物（蛋壳膜、咖啡渣等）等均可以作为原材料[7,32-34]合成CDs。例如，孙英祥等[34]以桃花为碳源，通过水热法在最优条件下一步合成了荧光量子产率较高的水溶性荧光CDs，并证明了含碳水化合物的花都可以通过水热法一步制备CDs。这类CDs的合成来源丰富、成本较低、制备过程简单易控制、绿色环保、无二次污染。所制备的CDs荧光量子产率较高，具有良好的光学性能，表现出巨大的应用潜力。
图1 碳钠米点合成的生物质来源及基于其构建的荧光传感器在农业领域的应用
Fig.1 Biomass source of Carbon Dots (CDs) and its application for fluorescence sensor in agricultural field
2 CDs荧光传感器在Hg2+检测方面的开发进展
基于CDs构建的荧光传感器具有选择性好、成本低、快速、设备简易等特点，用于检测Hg2+的CDs荧光传感器的相关研究成果逐年增长，如图2所示。
图2 用于检测Hg2 +的CDs荧光传感器的文献发表趋势图（数据来源：Web of Science）
Fig.2 Publication trend of CDs based fluorescent sensor for Hg2 + detection (data source: Web of Science)
如表1所示，本工作主要从荧光猝灭型单信号分析模式、荧光增强型单信号分析模式和比率型双信号分析模式等分析策略的角度[35]，系统介绍了基于CDs构建的荧光传感器在重金属Hg2+检测方面的研究进展。
2.1 单信号分析模式检测Hg2+
单信号分析模式包括荧光猝灭型和荧光增强型2种。
2.1.1 荧光猝灭型单信号分析模式
最初发展的基于CDs检测Hg2+的荧光传感体系大都是信号猝灭型传感器，其荧光强度由强到弱，荧光颜色由有到无。采用N、S、P等元素对CDs基体材料进行掺杂，通过调节电子特性和能隙可以获得具有特定功能或较好荧光特性的CDs复合材料。
Li等[36]利用微波辅助法，一步合成氮、硫双掺杂的碳点复合材料（N,S-CDs），基于荧光共振能量转移原理，实现了湖水和自来水中Hg2+的检测，具有较好的检测灵敏度和选择性。Wei等[44]采用水热法合成的N,S-CDs，具有粒径小、无定形结构和表面态独特的特点，N、S共掺杂增加了电子转移速率，改善了复合材料和Hg2+之间的配位作用，可对湖水样品Hg2+实现灵敏和选择性分析。
为了进一步提高精准度，Omer等[45]采用混合溶剂进行高荧光碳纳米点表面改性，纳米探针线性范围为50～800 nmol/L，Hg2+的最低检出限为10 nmol/L，他们对自来水和废水中的Hg2+进行了定量测定，具有较好的回收率。Xu等[19]以绿茶毛尖为碳源、辅以富含多羧酸和多羟基结构的抗坏血酸合成新型增强型CDs，相比于单独毛尖绿茶为碳源合成的CDs，形成更多聚合物结构，在Hg2+存在情况下，表现出更敏感性、特异性和稳定性的荧光性质。该体系对Hg2+的检出限为6.32 nmol/L，线性响应范围为0.2～60 μmol/L，可以有效检测废水、茶叶和大米等复杂样品中Hg2+含量，在食品安全、农产品质量和环境监测等方面有应用潜力。
表1 基于不同信号分析模式的碳点荧光传感器对Hg2 +检测的性能比较
Table 1 Comparison of performance of CDs sensors based on different signal analysis modes for Hg2 + detection
此外，基于CDs构建“开—关—开”策略的荧光传感器用于Hg2+检测也引起了科技工作者的兴趣。其主要原理是Hg2+与碘离子（I-）、谷胱甘肽（Glutathione，GSH）、螯合剂二巯丁二酸(Dimercaptosuccinic Acid，DMSA)等具有较强的结合能力，可从CDs- Hg2+体系中去除Hg2+，恢复CDs的荧光信号。例如，Lqbal等[46]利用GSH能竞争性结合Hg2+，形成Hg2+-S或者Hg2+-N键，从而恢复N掺杂CDs的荧光性质，构建了一种同时检测Hg2+和GSH的荧光传感器。Hg2+和GSH的检出限分别达到20和40 nmol/L。Yan等[47]利用L-半胱氨酸（L-Cys）与Hg2+更强的配位能力，从CDs表面去除Hg2+，使CDs荧光恢复，该传感器成功应用于实际河水样品中Hg2+的定量分析。Pourreza等[48]在体系中添加DMSA后，由于其对Hg2+具有较高的螯合性，使得CDs荧光得到恢复。在优化条件下，Hg2+的线性响应范围为25～2500 nmol/L，检出限为6.3 nmol/L，该方法成功应用于环境污水和人血清中Hg2+的测定。
2.1.2 荧光增强型单信号分析模式
尽管可以通过元素掺杂、表面改性等方式改善荧光猝灭型传感器的分析性能，但是科学家为了进一步降低荧光猝灭型传感器光学背景高引起的灵敏度低、误判率高、选择性差的问题，开发了荧光增强型传感器。这种传感器荧光强度由弱到强，荧光颜色从无到有，光学背景较低，往往能够减少假阳性信号的发生，提高精准度[49]。然而到目前为止，以CDs为探针构建荧光增强型传感器检测Hg2+的报道较少。
Yuan等[37]构建了基于双（二硫代氨基甲酸）铜功能化碳点（CuDTC2-CDs）的荧光传感器，用于选择性测定Hg2+。其机理是CDs复合材料表面的CuDTC2通过电子转移和能量转移机制猝灭配合物中CDs的蓝色荧光。加入Hg2+后，Hg2+迅速取代Cu2+，从而阻碍Cu2+的能量传递途径，恢复CDs的荧光信号，该传感器对Hg2+分析的检测限可低至4 nmol/L。Han等[50]利用Ag+修饰的巯基功能化碳点（HS-CDs）构建Hg2+的超痕量荧光传感器，在HS-CDs体系中加入Ag+，导致生成棕色硫酸银团聚体，HS-CDs的荧光发生猝灭。加入Hg2+后，Hg2+迅速取代Ag+，由于HS-CDs表面氨基（-NH2）引起的能量陷阱，HS-CDs的荧光信号得以恢复，该传感器对实际水样的检测结果与ICP-AES检测结果相当，表明构建的传感器准确性良好。
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2.2 比率荧光传感器检测Hg2+
荧光猝灭型、荧光增强型传感器的信号输出模式为单信号，往往会受到激发光源波动、仪器灵敏度、探针周围微环境、荧光团光漂白、样品的光散射等因素的影响，可靠性降低。近些年，具有双信号输出模式的比率型荧光传感器得到快速发展和应用，其识别原理包括光诱导电子转移、分子内电荷转移、荧光共振能量转移、激发态分子内质子转移、激基缔合、聚集诱导发光、C=N异构化等[18]。这类传感器一方面可以通过建立内标，提高动态响应范围，削弱外界因素的干扰，增强探针的敏感性，分析结果更为可靠、准确；另一方面基于探针颜色随分析物浓度的增加而改变，易肉眼识别，可制作成试纸，从而实现灵敏可视化分析[18,52]。基于CDs的荧光探针一般由CDs和其他荧光分子的简单混合或共价键/非共价键连接而成，也可以由本身具有双发射功能的CDs构成。利用不同方法合成不同性质的CDs在比率荧光探针中可以作为参考信号、响应信号和双发射矩阵[23]。
2.2.1 CDs作为参考信号的比率荧光传感器
比率荧光传感器发射基团由2个独立的发射荧光团产生，这2个发射荧光团通过化学结合或物理杂化形成核心结构或多层结构，在相同的激发波长下，一个发射荧光团的信号依赖于分析物的浓度，另一个发射荧光团信号是惰性的，作为参考信号。如图3所示，根据信号变化情况，比率型荧光传感器可以分为2种类型[53]。一种是其中一个发射荧光团信号不变，作为参考信号，另一个荧光信号随目标物的加入，强度增强或减弱。另一种是随着检测目标物的加入，2个发射荧光团的信号发生相反的变化。用于检测Hg2+的CDs荧光传感器研究大多数集中在第一种类型，后者尚未见报道。
图3 比率荧光探针的类别[53]
Fig.3 General categories for ratiometric fluorescent probes[53]
图4 基于金钠米团簇CDs体系检测Hg2+的荧光传感器[39]
Fig.4 Fluorescent sensor system for Hg2+ detection[39] based on nanohybrid CDs system
如图4所示，Yan等[39]报道了一种灵敏、选择性好的Hg2+比率荧光传感器。 CDs作为参考信号，金纳米团簇（Au-NCs）作为响应信号，基于Hg2+与Au NCs之间的高亲和力，Au NCs的红色荧光随着Hg2+的加入发生明显猝灭，而CDs的蓝色荧光是稳定的，信号不发生改变。随着Hg2+的加入，体系荧光由粉红色变为蓝色。基于此机理，成功应用于自来水、湖水、矿泉水等实际水样中Hg2+的检测，Hg2+的检出限为28 nmol/L，进一步将该类比率荧光探针固定在醋酸纤维素圆形滤纸上，制备了可视化的纸基化学传感器，如图5所示。Liu等[17]利用便宜的天然生物质赖氨酸合成CDs，与生物质蛋清参与合成的Au NCs构建了类似的比率传感器，实现了实际水样中Hg2+的肉眼观察和检测，检测限为63 nmol/L。
图5 纸质传感器滴加不同浓度Hg2+溶液后的图像[39]
Fig.5 Images of the paper sensors after addition of various concentrations of Hg2+ solution[39]
2.2.2 CDs作为响应信号的比率荧光传感器
CDs还可作为响应探针，与参考探针/基团通过共价键、简单混合等方式结合，形成比率荧光探针构建比率荧光传感器检测Hg2+。如图6所示，Xu等[40]利用共价键将发射蓝色荧光的CDs与发射红色荧光的二氧化硅包裹的碲化镉量子点（CdTe@SiO2）复合得到比率探针，用于Hg2+的现场可视化检测。其中，CdTe@SiO2量子点对Hg2+不敏感，作为可靠恒定的参考信号，而CDs对Hg2+非常敏感，随着Hg2+浓度的增加，其荧光信号显著降低，溶液由浅紫色变为红色，实现了Hg2+的可视化检测。
图6 基于比率传感器CDs 体系检测Hg2+的传感器[40]
Fig.6 Illustration of ratiometric probe for detection of Hg2+[40]
Lu等[54]首次采用柠檬酸钠与组氨酸钠一锅热解法合成了功能化CDs。由于CDs与Hg2+之间的静电作用和金属配体配位作用，CDs的发射被Hg2+猝灭。加入GSH后，由于GSH与Hg2+之间有更强的亲和力，CDs的发射逐渐恢复。基于此，研究者将该CDs与对Hg2+和GSH不敏感的罗丹明（Rhodamine，RhB）简单混合，构建了可同时检测Hg2+和GSH的比率荧光传感器，该传感器对Hg2+和GSH的检出限分别为25和20 nmol/L。Fu等[55]也开发类似的传感器（图7），实现了河水样品中Hg2+的检测，该传感体系可用于环境重金属离子分析、食品质量检测和小鼠氧化应激研究。
CDs作为能量供体，与作为能量受体的荧光团通过能量传递耦合在一起组成比率荧光探针，利用分析物的扰动往往导致2个波长的发射在相反方向同时发生变化的原理也可以构建比率荧光传感器[56]。Hamd-Ghadareh等[41]将富含T碱基的单链DNA（ssDNA）和作为内参的罗丹明（Rb）修饰到CDs上形成双发射的Rb-CDs-ssDNA（S1），与AuNPs-cDNA（S2）杂化形成荧光探针。Hg2+存在时，基于T-Hg2+-T发生荧光共振能量转移，CDs在668 nm处荧光强度降低，Rb在580 nm处荧光恢复，580 nm与666 nm处荧光强度比值与Hg2+浓度在1.0×10−9～1.0 nmol/L、0.01～500 μmol/L范围内呈线性关系，检出限为5.0×10−19 mol/L。
图7 基于CDs和罗丹明检测Hg2+和谷胱甘肽的比率传感器[55]
Fig.7 Illustration of ratiometric sensor for detection of Hg2+and Glutathione (GSH) based on CDs and Rhodamine B[55]
2.2.3 双发射波长CDs构建的比率荧光传感器
传统的单发射CDs对生物组织有一定的光损伤，易受到环境、相似组份和传感器浓度等因素的影响[57]，而传统的双发射比率荧光探针也存在嵌入染料浸出、制备复杂、改性或共轭要求、分离纯化和光稳定性不均匀等不足。因此，开发无标记、本征双发射的CDs探针具有十分重要的意义[58-59]。
双发射CDs单独应用于比率型荧光纳米传感器，在2013年首次被报道[60]。当CDs具有双发射波长时，一个发射峰是响应信号，另一个发射峰是参考信号，该探针可用于pH、温度、阴阳离子等的检测。合成的CDs在380 nm激发下，在455和520 nm处出现了基于蓝色和绿色2个分辨良好的荧光带，pH、温度和金属离子对CDs的2种荧光带影响有很大差异。如图8所示，Zhao等[42]基于溶剂热处理玉米苞片的方法制备了一种CDs复合材料，该CDs在470和678 nm处各有一个发射带。当Hg2+存在时，678 nm处的荧光被明显猝灭，而470 nm处的荧光强度变化不大。基于此机理构建了一种比率荧光传感器，荧光强度比值与Hg2+浓度呈良好的线性关系，线性范围0～40μmol/L，检出限约为9.0 nmol/L，对河水样品有较好的检测效果。
Li等[43]在pH值为7.0左右的乙醇水溶液中利用溶剂热处理法合成的CDs，显示蓝色（410 nm）和黄色（565 nm）2个发射峰。CDs在410 nm与565 nm 处的荧光强度比值在4.5～6.5和10.0～13.0的2个pH范围内表现出良好的线性关系。利用“开-关-开”模式检测Hg2+，100 μmol/L Hg2+溶液通过电子转移过程使蓝色荧光猝灭率达91%，加入0.5 mmol/L的氯化物使蓝色荧光得到97%的恢复。相反，黄色荧光几乎不受影响。在Hg2+浓度30～60 μmol/L范围内，在410和565 nm处荧光强度比值下降，两者显示较好的线型相关性，该传感体系可用于Hg2+的检测分析。
图8 用于检测Hg2+的CDs比率传感器的构建示意[42]
Fig.8 Schematic illustration for the preparation of CD-based fluorescence sensor for the detection of Hg2+[42]
3 结论与展望
农作物赖以生存的环境包括土壤、水源等已受到了严重的重金属污染，因此对包括Hg2+在内的重金属离子进行灵敏、选择性检测越来越得到重视。CDs的生物质合成来源丰富、成本低、制备过程简单、绿色环保，所制备的CDs具有良好的光学性能，基于CDs构建的荧光传感器在农药残留、农业生产环境中重金属离子和阴离子、农产品功能成分与违禁添加剂检测等方面表现出巨大的应用潜力。
本文概述了合成CDs的生物质来源及基于CDs构建的荧光传感器在农业传感领域的应用研究，着重从荧光猝灭型单信号分析模式、荧光增强型单信号分析模式和比率型双信号分析模式等分析策略角度介绍了基于CDs构建的荧光传感器在Hg2+含量检测分析方面的应用及取得的相应进展。以农作物、农产品及其废弃物作为CDs的合成前体，来源丰富、成本较低、制备过程简单，且绿色环保、无二次污染。而基于CDs构建的荧光传感器用于Hg2+检测的多种模式，为农业传感领域中其他目标物的检测或监测提供了良好的参考依据。尽管如此，作者认为还存在以下问题值得探讨。
1）在以农作物、农产品等为原料制备CDs方面，虽然合成方法成本低、来源广、绿色环保，但不同天然物质的复杂成分导致合成CDs的荧光集中在短波长区域，颜色呈现多样性，且发光机理尚不清晰。另外，由于合成过程中难以对化学结构进行精确地调控，因此，合成的CDs荧光量子产率高低不均衡。基于此，在对CDs进行针对性的分离和纯化、掺杂或修饰等功能化设计，从而提高CDs的性能方面仍有待进一步深入研究。
2）基于CDs构建的荧光传感器在农药残留、重金属离子的检测方面表现出优异的灵敏度和较好的选择性，但目前大多传感体系仍处于实验室阶段。尽管比率荧光策略在一定程度上消除了样品对检测结果准确性的影响，但由于农业生产环境的复杂性和农产品组成成分的多样性，对检测样品进行恰当的前处理，仍然是提高基于CDs构建荧光传感器的稳定性和选择性、实现实际样品中待测组分定量检测和定性分析的另一挑战。
3）基于CDs构建的荧光传感器检测的大多是单一目标物，对于能同时检测多个目标物CDs荧光传感器的报道比较少。基于不同CDs优异的荧光性质及其在不同比率传感体系中的作用，结合检测体系的可视化设计、传感阵列技术的运用以及便携终端的开发，研制小型便携式设备并应用于农业生产环境、农产品或农作物中Hg2+及更多组分的快速、现场检测，为食品质量安全提供技术支持，是CDs荧光传感器在农业传感领域另一重要的发展趋势。
