重庆大学开发新型量子点比率荧光传感器阵列：提升白酒品质检测与还原物质识别
作为全球六大蒸馏酒之一，中国白酒因其复杂的成分体系而备受关注，其中还原物质的含量与种类对酒体质量具有重要影响。然而，由于产品种类繁多，消费者在市场上难以区分真实品质。传统检测手段如感官评估受主观因素限制，而仪器分析则操作繁琐、耗时较长，难以满足实时性与大规模检测的需求。
近年来，近红外光谱和荧光传感技术等新兴方法逐步进入应用视野。尤其在荧光传感器阵列方面，其在识别复杂混合物方面的优势愈发明显。不过，现有技术普遍面临背景信号干扰等问题，制约了检测效果。
为克服上述难题，重庆大学研究人员创新性地引入基于量子点（QDs）的比率荧光传感阵列。该方法利用三种不同类型的量子点构建传感系统，旨在实现对白酒中还原物质的高效识别与品质快速判别。
研究亮点
- 首次将比率荧光传感器阵列用于白酒还原物质检测与品质鉴别，有效减少背景信号干扰。
- 采用碳量子点（CQDs）、氮掺杂碳纳米点（N-CNDs）与氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs）构建传感器，结合 oxOPD 与 Ag⁺的反应机制实现信号调控。
- 对12种还原物质的识别准确率达97.2%，对10种不同品质白酒的判别准确率为100%，并可定量检测抗坏血酸，检测限（LOD）为0.1 μM。
- 将白酒指纹数据编码为条形码，为质量控制、产品溯源与数据库扩展提供新路径。
图 1 展示了基于量子点的比率荧光传感阵列在白酒鉴别中的工作原理。
关键实验结果
量子点的结构与性能表征
研究人员选择了三种具有优异荧光淬灭性能的量子点（CQDs、N-CNDs、N-GQDs），分别通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进行了系统表征。结果表明：
- CQDs 呈球形，平均直径约10 nm，FT-IR 证实其含有C–H、O–H等官能团，XRD 表明具有无定形石墨结构。
- N-CNDs 分散性良好，平均直径8.5 nm，XRD 表现出较差结晶度，FT-IR 显示存在N–H/O–H与C=N等官能团。
- N-GQDs 表现出良好的单分散性和高结晶度石墨结构，FT-IR 证实氮元素成功掺杂，含有NH-CO、C=N等基团。
图 2 展示了三种量子点的 TEM、XRD 与 FT-IR 表征结果。
传感器阵列的可行性验证
该传感器阵列基于Ag⁺对 OPD 的氧化反应生成 oxOPD（发射波长约560 nm），其与三种量子点的发射峰（约450 nm）在光谱上存在重叠，从而引发荧光能量转移（FRET）或内滤效应（IFE），导致量子点荧光减弱、oxOPD 荧光增强。当还原物质存在时，其与Ag⁺反应降低 oxOPD 浓度，使量子点荧光增强、oxOPD 荧光减弱，通过荧光比值变化实现检测。
实验进一步通过荧光寿命测量与D-A距离计算验证了机制。结果显示，CQDs 和 N-GQDs 的淬灭行为主要由 FRET 引起，而 N-CNDs 的机制则由 FRET 与 IFE 共同主导。
图 3 展示了三种量子点的荧光响应及寿命分析。
传感条件优化
为提升传感阵列的检测性能，研究对 OPD 浓度、反应 pH 值及 Ag⁺反应时间进行了系统优化。
- CQDs 与 N-CNDs 的最佳反应条件为 OPD 15 mM，pH 6.2，反应时间 8 min。
- N-GQDs 为 OPD 20 mM，pH 6.2，反应时间 8 min。
12种还原物质的鉴别
研究团队测试了传感器阵列对12种还原物质的识别能力，通过主成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）和层次聚类分析（HCA）进行验证。
- PCA 鉴别效果较弱（KMO=0.452）。
- LDA 准确率达97.2%，成功识别所有12种还原物质。
- HCA 将12种物质分为12类，表明传感器阵列具备良好区分能力。
其中，抗坏血酸（AA）反应最佳，检测范围为0.1 μM–100 mM，LOD 为0.1 μM，检测限低且线性关系良好（R²分别为0.955和0.925）。重复实验显示，5批次量子点检测 AA 的最大相对标准偏差（RSD）为3.9%，具有良好的重复性和稳定性。
图 4 展示了12种还原物质的 PCA、LDA 与 HCA 鉴别结果。
图 5 显示了抗坏血酸的检测范围、拟合关系及重现性。
10种白酒的品质鉴别
研究选取10种不同品牌与等级的白酒（如泸州老窖、江苏洋河），采集其荧光指纹图谱，并采用 PCA、LDA、HCA 进行分析。
- PCA 鉴别效果有限（KMO=0.560），仅部分样本因还原物质相近而重叠。
- LDA 准确率达100%，成功区分所有10种白酒。
- HCA 将10种白酒分为10类，还原能力相近的样品归类一致。
- 研究进一步将指纹数据编码为条形码，为白酒的生产质量控制与流通追溯提供了便捷方案。
图 6 展示了10种白酒的 PCA、LDA、HCA 及条形码编码结果。
总结与展望
本研究成功构建了一种由Ag⁺、OPD 与三种量子点组成的比率荧光传感器阵列，实现对还原物质与白酒品质的高效识别。实验结果表明，该阵列对12种还原类小分子的识别准确率达97.2%，对10种白酒的品质判别准确率为100%。此外，该方法通过荧光指纹图谱编码技术，为白酒行业的质量控制与数据库拓展提供了新思路。
未来，研究团队计划将人工智能技术与便携式设备相结合，推动该方法在智能化、便捷化白酒检测领域的应用。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.aca.2025.343785
审核编辑：黄宇