随着抗生素的过度使用，食品中四环素等抗生素残留对人类健康构成严重威胁，开发无耐药性的抗菌材料和可靠的四环素（Tetracyclines，TC）检测方法成为当务之急。现有的检测方法如高效液相色谱法、酶联免疫吸附试验法等虽准确，但操作繁琐、成本高且需专业技术。相比之下，纳米材料尤其是量子点因其独特选择性、电子性质、尺寸依赖荧光和可调发射等优势受到关注，但部分量子点如CdS、InAs和PbSe等因毒性受限。硅量子点（SiQDs）作为一种零维硅基纳米材料，具有优异的荧光特性、光稳定性、简单的合成方法等优点，可用于检测四环素等物质。目前合成SiQDs的方法多样，其中一步水热法因高效、可重复性强和操作简便而被广泛应用。同时，评估SiQDs的抗菌效果对于确保产品安全和质量也至关重要，其低毒性特点使其成为抗菌领域的研究热点。

方案1. SiQDs的合成、抗菌和检测性能说明。

研究内容

图1. SiQD的表征。

通过透射电子显微镜（TEM）观察到SiQDs的平均粒径为1.85nm，高分辨TEM图像显示间距为0.34nm的晶格平面可能归属于石墨烯碳的(002)晶面。X射线衍射（XRD）分析进一步验证了SiQDs的晶体结构，主要峰位于2θ=30°，对应石墨的(002)晶面。X射线光电子能谱（XPS）显示SiQDs中C、O和Si的含量分别为45.83%、44.01%和10.16%，并分析了C1s、O1s、Si2s和Si2p的吸收峰及其对应的化学键。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了SiQDs表面存在的羟基等官能团。紫外-可见吸收光谱在275nm处有典型吸收带，荧光发射光谱显示在325nm激发波长下，SiQDs在420nm处有最强发射峰。

图2. 不同干扰物质下SiQD的FL强度

SiQDs对TC的检测：SiQDs在60min的紫外照射下荧光强度保持高水平，在pH2.09至11.92范围内荧光强度基本不变，且在高浓度NaCl和H₂O₂溶液中荧光强度也无明显变化，表现出优异的稳定性。选择多种氨基酸、抗生素、阴阳离子等作为干扰物质，测试SiQDs对TC的选择性，发现其他成分未引起显著荧光猝灭，表明荧光传感器对TC具有高选择性。SiQDs的荧光强度随TC浓度增加而逐渐降低，在0.001-0.010μmol/L的TC浓度范围内，(F₀-F)/F₀与TC浓度呈良好线性关系，检测限为0.0006μmol/L。将SiQDs荧光探针应用于不同厂家的蜂蜜样品中TC的检测，回收率约为100%，表明SiQDs荧光探针具有高精度和可靠性。

图3. 可能的淬火机制

通过荧光寿命衰减和光谱重叠结果以及计算IFE对猝灭效率的影响，证实了SiQDs对TC的荧光猝灭主要由IFE引起。

图4. 抗菌活性

抗菌测试：采用96孔板法研究SiQDs的抗菌特性，发现经SiQDs处理的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的OD值明显低于对照组，其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑制浓度分别为0.45mg/mL和0.25mg/mL。平板稀释法进一步评估SiQDs的抗菌活性，结果与96孔板法一致，且SiQDs的抗菌效果具有浓度依赖性。

图5. 抑菌机制

图6. SiQDs的Zeta电位(a)和生成的超氧化物(b)。

通过扫描电子显微镜（SEM）观察到经SiQDs处理的细菌细胞表面出现许多凹陷和皱纹，表明SiQDs破坏了细菌的细胞膜结构。同时，测量细菌与SiQDs结合前后的zeta电位变化，发现正电荷的SiQDs易与细菌通过静电相互作用结合，导致细菌死亡。此外，通过NBT光照实验发现SiQDs的加入会过度产生ROS，破坏细菌细胞壁，抑制细菌生长。

本研究通过一步水热法成功制备了具有优异水溶性和稳定性的蓝光发射硅量子点，作为抗菌和四环素检测材料，具有高灵敏度、强选择性和快速响应等优势，成功应用于多种蜂蜜样品的TC检测，且展现出良好的抗菌效果，其通过静电相互作用和ROS生成破坏细菌细胞壁，最终导致细菌死亡，有望成为开发创新食品检测系统和抗菌制剂的理想候选者，在医疗、纺织、食品、环保等多个领域具有广阔的应用前景。未来的研究方向可包括调节SiQDs的尺寸、形状和表面化学以增强其光学性能和优化其适用性；利用SiQDs的荧光和化学稳定性开发新型传感器；选择易感染食品的细菌模型评估SiQDs的抗菌应用等。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.141844