重庆大学开发新型量子点基比率荧光传感阵列：实现还原性物质检测与白酒品质分析
中国白酒作为世界六大蒸馏酒之一，其复杂的化学组成中，还原性物质对酒体品质起着至关重要的作用。然而，由于白酒品种繁多，市场上常出现混淆现象。传统鉴别方法如感官评估和仪器分析不仅主观性强、操作繁琐，而且难以满足实时和高通量检测的需求。近年来，红外光谱、荧光传感等技术不断发展，其中荧光传感器阵列因具备高灵敏度和区分混合物的能力而备受关注。但多数现有传感器仍面临背景信号干扰等问题。为此，重庆大学的研究团队提出一种基于量子点的比率荧光传感器阵列，利用三种不同类型的量子点，实现了对白酒中还原性物质的检测与品质快速区分。
技术亮点
- 首次将比率荧光传感器阵列应用于白酒中还原物质检测及品质鉴别，有效抑制背景信号干扰。
- 构建由三种量子点（CQDs、N-CNDs、N-GQDs）组成的传感系统，结合 oxOPD 与 Ag⁺的反应机制调控信号。
- 对12种还原性物质的鉴别准确率达97.2%，对10种不同品质等级的白酒鉴别准确率达到100%，且可对抗坏血酸进行定量检测（LOD 为0.1 μM）。
- 通过将白酒的荧光指纹编码为条形码，为品质监控、市场溯源和数据库建设提供新路径。
量子点材料表征结果
研究人员选择了三种具有 oxOPD 荧光猝灭能力的量子点：碳量子点（CQDs）、氮掺杂碳纳米点（N-CNDs）和氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs）。通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）以及傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对材料进行了系统表征。结果显示，CQDs 表现为球形、尺寸均匀（平均约10 nm），具备无序石墨结构和多种官能团；N-CNDs 则为无晶格结构，尺寸较小（约8.5 nm），且富含氮相关基团；N-GQDs 单分散、球形均匀（约8.0 nm），具有高结晶度石墨结构及氮掺杂特性。
图 2 展示了三种量子点的表征结果，包括 TEM 图像、XRD 图谱及 FT-IR 光谱。
传感机制与性能优化
该比率荧光传感器阵列的检测原理依赖于 Ag⁺催化 OPD 形成 oxOPD，后者在560 nm处发出荧光。量子点在约450 nm处发射荧光，与 oxOPD 的发射光谱发生重叠，从而通过 FRET 或 IFE 效应导致量子点荧光猝灭和 oxOPD 荧光增强。当白酒样品中存在还原物质时，Ag⁺与还原物反应，oxOPD 减少，荧光信号比发生显著变化，从而实现检测与鉴别。经荧光寿命测量及供体-受体距离分析，CQDs 和 N-GQDs 的猝灭机制为 FRET，而 N-CNDs 则是 FRET 与 IFE 共同作用。
图 3 为传感器阵列的荧光响应及荧光寿命测量结果。
实验条件优化
为进一步提升传感器阵列对白酒的识别能力，研究对 OPD 浓度、反应体系的 pH 值及反应时间进行了优化。结果显示，CQDs 和 N-CNDs 的最佳条件为 OPD 15 mM、pH 6.2、反应时间 8 min；N-GQDs 的最优 OPD 浓度为 20 mM，其余条件相同。
还原性物质的鉴别能力
研究利用主成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）和层次聚类分析（HCA）对 12 种还原性物质进行分类验证。结果显示，LDA 的鉴别准确率达到97.2%。其中，抗坏血酸（AA）表现出最优反应性，检测范围为 0.1 μM–100 mM，LOD 为 0.1 μM。在 0.1 μM–10 mM 和 10 mM–100 mM 范围内分别表现出良好的线性关系（R² 分别为0.955 和 0.925），且重复性良好（最大相对标准偏差为 3.9%），证明该传感器阵列具备高灵敏度和稳定性。
图 4 展示了 PCA、LDA 与 HCA 鉴别 12 种还原性物质的结果。
图 5 为抗坏血酸的定量检测曲线和重现性数据。
对不同品质白酒的鉴别
实验选取了泸州老窖（L1-L5）和江苏洋河（Y1-Y5）10种不同品质等级的白酒，采集其荧光指纹图谱后进行 PCA、LDA 和 HCA 分析。结果表明，LDA 可以实现100%准确识别，而 HCA 将样品按还原能力归为 10 组。研究团队还创新性地将每种白酒的指纹图谱编码为包含阵列点欧氏距离的条形码，为白酒的生产质量控制、市场流通监管和数据库扩展提供了可行的解决方案。
图 6 展示了 10 种白酒的 PCA、LDA、HCA 鉴别结果及条形码编码。
研究总结与未来展望
本研究通过构建一种基于 Ag⁺、OPD 和三种量子点的比率荧光传感器阵列，实现了对还原性物质的高精度识别，并成功应用于白酒品质的快速鉴别。研究不仅验证了该技术在12种还原小分子化合物上的高准确率，还实现了抗坏血酸的定量分析。结合 PCA、LDA 和 HCA 数据分析方法，该传感器阵列对10种不同品牌与品质等级的白酒实现了100%的准确识别，显示出在白酒检测领域具有广泛的应用潜力。未来，将人工智能与便携式检测设备相结合，有望推动该技术向智能化、便携化方向发展。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.aca.2025.343785
审核编辑：黄宇