出品：科普中国

作者：杨亮、李凌飞（中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所）

监制：中国科普博览

编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。

想必大家都对亚硝酸盐有所了解，作为自然界中普遍存在的含氮无机化合物，它是氮循环中的重要一环。它在食品中作为添加剂可延长保质期，但过量摄入可致中毒，甚至转化为致癌物。同时，亚硝酸盐在生物体内也扮演微妙角色，如调节血管功能、增强免疫抗菌能力。其研究不仅关乎食品安全，更触及生命科学的深层机制。

为了更准确地检测出亚硝酸盐的存在，近日，我们所在的研究团队（中国科学院合肥物质院固体所能源材料与器件制造研究部蒋长龙、杨亮研究团队）成功设计了一种新方法，制备出了针对亚硝酸盐荧光可视化快检的技术，在实时同步可视化检测亚硝酸盐方面取得新进展。相关研究发表在《危害物材料》期刊。

为什么要研究检测有害物质的新方法？

其实，近年来，检测人员已经能够通过使用传统技术，如电化学、比色法、紫外可见吸收法、化学发光法、毛细管电泳法、分光光度法和色谱法等来识别环境中存在的危害。但这些方法往往存在检测程序繁琐、仪器昂贵、视觉半定量能力差或耗时问题，这些问题共同阻碍了它们的实际应用。

而我们研发的荧光可视化检测技术具有简单、快速、高灵敏度和易于可视化的优势，是做环境有害物分析的有力候选者。

比如，我们研发的新材料和新方法，结合传感器件（如手套），摸一下，肉眼就能判断食物中的亚硝酸盐是否超标。

A-G. 比率荧光材料结合手套传感器检测亚硝酸盐的示意图

（图片来源：作者文章）

A-C. 比率荧光材料结合手套传感器检测亚硝酸盐在手机传感平台上的展示（定量检测亚硝酸盐含量）

（图片来源：作者文章）

什么是荧光可视化快检技术？为什么用荧光？

荧光是一种物理现象，当某种常温物质吸收某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）能量后，进入激发态，并且在较短时间内发射出比吸收光能量低的长波长的出射光（通常波长在可见光波段）。这种性质的出射光就被称之为荧光。荧光通常具有较长的发射波长，颜色各异，且停止激发后仍能持续发光一段时间，但强度会逐渐减弱直至消失。

荧光检测其机理基于特定分子在吸收光能后跃迁至激发态(化学反应活性增大)，随后以光辐射形式释放能量返回基态（能量最低最稳定）的过程，即荧光发射，这一过程不仅依赖于分子结构，还受环境因素影响。

荧光棒

（图片来源：veer图库）

我们可以用气球来模拟演示荧光检测的机理。我们先给气球充气，这一过程对应着特定分子在吸收光能后跃迁至激发态；然后我们戳破气球，则是释放能量返回基态的过程。荧光的产生与这一过程类似。

如何利用荧光的这个特点来做检测呢？

我们创新地提出了一种检测方法——荧光可视化快检技术。先利用紫外光来激发荧光团，再通过肉眼观察荧光的产生、猝灭或强弱变化来实现对待测物的快速、可视化检测。这种技术具有成本低、操作简单、易携带以及灵敏度高等显著优点

在食品分析领域，荧光可视化快检技术已被广泛应用于检测食品中的有害物质，如重金属离子、农药残留及添加剂等。该技术通过荧光传感器与待测物的相互作用，使发光物质的荧光信号发生变化，从而实现对目标物的快速定性及定量检测。

喷洒农药

（图片来源：veer图库）

从单色荧光到比率荧光，荧光材料逐渐进步

为了更好地应用荧光现象，科学家们需要尽可能发挥荧光材料的优点。为此，开发多种适用于不同环境下的荧光材料就显得很重要。比率荧光与单色荧光作为两种关键的荧光检测方法，其差异体现在多个维度上，这些差异对于提升分析灵敏度、选择性和可靠性具有深远影响。

单色荧光‌（Monochromatic Fluorescence）侧重于单一波长下荧光强度的测量。该方法简便易行，是荧光分析中最基础且广泛应用的手段之一。然而，单色荧光检测易受外界干扰，如光源稳定性、检测器灵敏度及样品基质效应等，均可能对其结果产生显著影响。

比率荧光（Ratio Fluorescence）技术，作为一种先进的荧光检测策略，其核心在于同时监测两个或多个波长下的荧光信号变化，并计算这些信号之间的比率。这种方法的优势在于其固有的自校准特性，即能够部分抵消由激发光强度波动、样品浓度不均一或光路系统效率变化等外部因素引起的误差。

比率荧光通过比较不同波长下荧光强度的相对变化，而非绝对强度，从而显著提高了测量的稳定性和准确性。此外，当荧光探针设计得当，能够响应不同的分析物或环境变化时，比率荧光还能提供丰富的分子信息，增强检测的选择性和灵敏度。

不过，有这么多优点的比率荧光对材料要求也很高。比率荧光材料的研究需要综合考虑材料的结构设计、制备工艺和应用需求，是一项复杂而具有挑战性的科学研究任务。

我们的研究开发了一种新型的双发射比率荧光材料。

双发射比率荧光材料检测亚硝酸盐的机制

（图片来源：作者文章）

这种材料在接触亚硝酸盐后，会产生肉眼可见的光学颜色变化，并且具有出色的抗光漂白性。这些特性使得它在实际生活运用中具有巨大的应用潜力。例如，可以将这种材料结合传感器件（如手套），通过其独特的双发射比率荧光特性来验证亚硝酸盐是否超标。

新材料在亚硝酸盐检测方面的表现，不仅为食品和环境中危险物质的检测提供了创新的解决方案，还开发出了新的研究方向。未来我们还将继续深入研究并拓展应用，期待这种新材料发挥更加重要的作用。

来源: 中国科普博览

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