戴上這種手套摸一下，肉眼就能判斷亞硝酸鹽是否超標(biāo)？

出品：科普中國(guó)

作者：楊亮、李凌飛（中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為揭開(kāi)科技工作的神秘面紗，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請(qǐng)科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開(kāi)啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

想必大家都對(duì)亞硝酸鹽有所了解，作為自然界中普遍存在的含氮無(wú)機(jī)化合物，它是氮循環(huán)中的重要一環(huán)。它在食品中作為添加劑可延長(zhǎng)保質(zhì)期，但過(guò)量攝入可致中毒，甚至轉(zhuǎn)化為致癌物。同時(shí)，亞硝酸鹽在生物體內(nèi)也扮演微妙角色，如調(diào)節(jié)血管功能、增強(qiáng)免疫抗菌能力。其研究不僅關(guān)乎食品安全，更觸及生命科學(xué)的深層機(jī)制。

為了更準(zhǔn)確地檢測(cè)出亞硝酸鹽的存在，近日，我們所在的研究團(tuán)隊(duì)（中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所能源材料與器件制造研究部蔣長(zhǎng)龍、楊亮研究團(tuán)隊(duì)）成功設(shè)計(jì)了一種新方法，制備出了針對(duì)亞硝酸鹽熒光可視化快檢的技術(shù)，在實(shí)時(shí)同步可視化檢測(cè)亞硝酸鹽方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究發(fā)表在《危害物材料》期刊。

為什么要研究檢測(cè)有害物質(zhì)的新方法？

其實(shí)，近年來(lái)，檢測(cè)人員已經(jīng)能夠通過(guò)使用傳統(tǒng)技術(shù)，如電化學(xué)、比色法、紫外可見(jiàn)吸收法、化學(xué)發(fā)光法、毛細(xì)管電泳法、分光光度法和色譜法等來(lái)識(shí)別環(huán)境中存在的危害。但這些方法往往存在檢測(cè)程序繁瑣、儀器昂貴、視覺(jué)半定量能力差或耗時(shí)問(wèn)題，這些問(wèn)題共同阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用。

而我們研發(fā)的熒光可視化檢測(cè)技術(shù)具有簡(jiǎn)單、快速、高靈敏度和易于可視化的優(yōu)勢(shì)，是做環(huán)境有害物分析的有力候選者。

比如，我們研發(fā)的新材料和新方法，結(jié)合傳感器件（如手套），摸一下，肉眼就能判斷食物中的亞硝酸鹽是否超標(biāo)。

A-G. 比率熒光材料結(jié)合手套傳感器檢測(cè)亞硝酸鹽的示意圖

（圖片來(lái)源：作者文章）

A-C. 比率熒光材料結(jié)合手套傳感器檢測(cè)亞硝酸鹽在手機(jī)傳感平臺(tái)上的展示（定量檢測(cè)亞硝酸鹽含量）

（圖片來(lái)源：作者文章）

什么是熒光可視化快檢技術(shù)？為什么用熒光？

熒光是一種物理現(xiàn)象，當(dāng)某種常溫物質(zhì)吸收某種波長(zhǎng)的入射光（通常是紫外線或X射線）能量后，進(jìn)入激發(fā)態(tài)，并且在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)射出比吸收光能量低的長(zhǎng)波長(zhǎng)的出射光（通常波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波段）。這種性質(zhì)的出射光就被稱之為熒光。熒光通常具有較長(zhǎng)的發(fā)射波長(zhǎng)，顏色各異，且停止激發(fā)后仍能持續(xù)發(fā)光一段時(shí)間，但強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱直至消失。

熒光檢測(cè)其機(jī)理基于特定分子在吸收光能后躍遷至激發(fā)態(tài)(化學(xué)反應(yīng)活性增大)，隨后以光輻射形式釋放能量返回基態(tài)（能量最低最穩(wěn)定）的過(guò)程，即熒光發(fā)射，這一過(guò)程不僅依賴于分子結(jié)構(gòu)，還受環(huán)境因素影響。

熒光棒

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

我們可以用氣球來(lái)模擬演示熒光檢測(cè)的機(jī)理。我們先給氣球充氣，這一過(guò)程對(duì)應(yīng)著特定分子在吸收光能后躍遷至激發(fā)態(tài)；然后我們戳破氣球，則是釋放能量返回基態(tài)的過(guò)程。熒光的產(chǎn)生與這一過(guò)程類似。

如何利用熒光的這個(gè)特點(diǎn)來(lái)做檢測(cè)呢？

我們創(chuàng)新地提出了一種檢測(cè)方法——熒光可視化快檢技術(shù)。先利用紫外光來(lái)激發(fā)熒光團(tuán)，再通過(guò)肉眼觀察熒光的產(chǎn)生、猝滅或強(qiáng)弱變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物的快速、可視化檢測(cè)。這種技術(shù)具有成本低、操作簡(jiǎn)單、易攜帶以及靈敏度高等顯著優(yōu)點(diǎn)

在食品分析領(lǐng)域，熒光可視化快檢技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)食品中的有害物質(zhì)，如重金屬離子、農(nóng)藥殘留及添加劑等。該技術(shù)通過(guò)熒光傳感器與待測(cè)物的相互作用，使發(fā)光物質(zhì)的熒光信號(hào)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的快速定性及定量檢測(cè)。

噴灑農(nóng)藥

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

從單色熒光到比率熒光，熒光材料逐漸進(jìn)步

為了更好地應(yīng)用熒光現(xiàn)象，科學(xué)家們需要盡可能發(fā)揮熒光材料的優(yōu)點(diǎn)。為此，開(kāi)發(fā)多種適用于不同環(huán)境下的熒光材料就顯得很重要。比率熒光與單色熒光作為兩種關(guān)鍵的熒光檢測(cè)方法，其差異體現(xiàn)在多個(gè)維度上，這些差異對(duì)于提升分析靈敏度、選擇性和可靠性具有深遠(yuǎn)影響。

單色熒光?（Monochromatic Fluorescence）側(cè)重于單一波長(zhǎng)下熒光強(qiáng)度的測(cè)量。該方法簡(jiǎn)便易行，是熒光分析中最基礎(chǔ)且廣泛應(yīng)用的手段之一。然而，單色熒光檢測(cè)易受外界干擾，如光源穩(wěn)定性、檢測(cè)器靈敏度及樣品基質(zhì)效應(yīng)等，均可能對(duì)其結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。

比率熒光（Ratio Fluorescence）技術(shù)，作為一種先進(jìn)的熒光檢測(cè)策略，其核心在于同時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)下的熒光信號(hào)變化，并計(jì)算這些信號(hào)之間的比率。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于其固有的自校準(zhǔn)特性，即能夠部分抵消由激發(fā)光強(qiáng)度波動(dòng)、樣品濃度不均一或光路系統(tǒng)效率變化等外部因素引起的誤差。

比率熒光通過(guò)比較不同波長(zhǎng)下熒光強(qiáng)度的相對(duì)變化，而非絕對(duì)強(qiáng)度，從而顯著提高了測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。此外，當(dāng)熒光探針設(shè)計(jì)得當(dāng)，能夠響應(yīng)不同的分析物或環(huán)境變化時(shí)，比率熒光還能提供豐富的分子信息，增強(qiáng)檢測(cè)的選擇性和靈敏度。

不過(guò)，有這么多優(yōu)點(diǎn)的比率熒光對(duì)材料要求也很高。比率熒光材料的研究需要綜合考慮材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝和應(yīng)用需求，是一項(xiàng)復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)研究任務(wù)。

我們的研究開(kāi)發(fā)了一種新型的雙發(fā)射比率熒光材料。

雙發(fā)射比率熒光材料檢測(cè)亞硝酸鹽的機(jī)制

（圖片來(lái)源：作者文章）

這種材料在接觸亞硝酸鹽后，會(huì)產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的光學(xué)顏色變化，并且具有出色的抗光漂白性。這些特性使得它在實(shí)際生活運(yùn)用中具有巨大的應(yīng)用潛力。例如，可以將這種材料結(jié)合傳感器件（如手套），通過(guò)其獨(dú)特的雙發(fā)射比率熒光特性來(lái)驗(yàn)證亞硝酸鹽是否超標(biāo)。

新材料在亞硝酸鹽檢測(cè)方面的表現(xiàn)，不僅為食品和環(huán)境中危險(xiǎn)物質(zhì)的檢測(cè)提供了創(chuàng)新的解決方案，還開(kāi)發(fā)出了新的研究方向。未來(lái)我們還將繼續(xù)深入研究并拓展應(yīng)用，期待這種新材料發(fā)揮更加重要的作用。