想必大家都對亞硝酸鹽有所了解，作為自然界中普遍存在的含氮無機化合物，它是氮迴圈中的重要一環。它在食品中作為添加劑可延長保質期，但過量攝入可致中毒，甚至轉化為致癌物。同時，亞硝酸鹽在生物體內也扮演微妙角色，如調節血管功能、增強免疫抗菌能力。其研究不僅關乎食品安全，更觸及生命科學的深層機制。
為了更準確地檢測出亞硝酸鹽的存在，近日，我們所在的研究團隊（中國科學院合肥物質院固體所能源材料與器件制造研究部蔣長龍、楊亮研究團隊）成功設計了一種新方法，制備出了針對亞硝酸鹽熒光視覺化快檢的技術，在即時同步視覺化檢測亞硝酸鹽方面取得新進展。相關研究發表在【危害物材料】期刊。
為什麽要研究檢測有害物質的新方法？
其實，近年來，檢測人員已經能夠透過使用傳統技術，如電化學、比色法、紫外可見吸收法、化學發光法、毛細管電泳法、分光光度法和色譜法等來辨識環境中存在的危害。但這些方法往往存在檢測程式繁瑣、儀器昂貴、視覺半定量能力差或耗時問題，這些問題共同阻礙了它們的實際套用。
而我們研發的熒光視覺化檢測技術具有簡單、快速、高靈敏度和易於視覺化的優勢，是做環境有害物分析的有力候選者。
比如，我們研發的新材料和新方法，結合傳感器件（如手套），摸一下，肉眼就能判斷食物中的亞硝酸鹽是否超標。
A-C. 比率熒光材料結合手套傳感器檢測亞硝酸鹽在手機傳感平台上的展示（定量檢測亞硝酸鹽含量）
（圖片來源：作者文章）
什麽是熒光視覺化快檢技術？為什麽用熒光？
熒光是一種物理現象，當某種常溫物質吸收某種波長的入射光（通常是紫外線或X射線）能量後，進入激發態，並且在較短時間內發射出比吸收光能量低的長波長的出射光（通常波長在可見光波段）。這種性質的出射光就被稱之為熒光。熒光通常具有較長的發射波長，顏色各異，且停止激發後仍能持續發光一段時間，但強度會逐漸減弱直至消失。
熒光檢測其機理基於特定分子在吸收光能後躍遷至激發態(化學反應活性增大)，隨後以光輻射形式釋放能量返回基態（能量最低最穩定）的過程，即熒光發射，這一過程不僅依賴於分子結構，還受環境因素影響。
我們可以用氣球來模擬演示熒光檢測的機理。我們先給氣球充氣，這一過程對應著特定分子在吸收光能後躍遷至激發態；然後我們戳破氣球，則是釋放能量返回基態的過程。熒光的產生與這一過程類似。
如何利用熒光的這個特點來做檢測呢？
我們創新地提出了一種檢測方法——熒光視覺化快檢技術。先利用紫外光來激發熒光團，再透過肉眼觀察熒光的產生、猝滅或強弱變化來實作對待測物的快速、視覺化檢測。這種技術具有成本低、操作簡單、易攜帶以及靈敏度高等顯著優點
在食品分析領域，熒光視覺化快檢技術已被廣泛套用於檢測食品中的有害物質，如重金屬離子、農藥殘留及添加劑等。該技術透過熒光傳感器與待測物的相互作用，使發光物質的熒光訊號發生變化，從而實作對目標物的快速定性及定量檢測。
從單色熒光到比率熒光，熒光材料逐漸進步
為了更好地套用熒光現象，科學家們需要盡可能發揮熒光材料的優點。為此，開發多種適用於不同環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鍵的熒光檢測方法，其差異體現在多個維度上，這些差異對於提升分析靈敏度、選擇性和可靠性具有深遠影響。
單色熒光（Monochromatic Fluorescence）側重於單一波長下熒光強度的測量。該方法簡便易行，是熒光分析中最基礎且廣泛套用的手段之一。然而，單色熒光檢測易受外界幹擾，如光源穩定性、檢測器靈敏度及樣品基質效應等，均可能對其結果產生顯著影響。
比率熒光（Ratio Fluorescence）技術，作為一種先進的熒光檢測策略，其核心在於同時監測兩個或多個波長下的熒光訊號變化，並計算這些訊號之間的比率。這種方法的優勢在於其固有的自校準特性，即能夠部份抵消由激發光強度波動、樣品濃度不均一或光路系統效率變化等外部因素引起的誤差。
比率熒光透過比較不同波長下熒光強度的相對變化，而非絕對強度，從而顯著提高了測量的穩定性和準確性。此外，當熒光探針設計得當，能夠響應不同的分析物或環境變化時，比率熒光還能提供豐富的分子資訊，增強檢測的選擇性和靈敏度。
不過，有這麽多優點的比率熒光對材料要求也很高。比率熒光材料的研究需要綜合考慮材料的結構設計、制備工藝和套用需求，是一項復雜而具有挑戰性的科學研究任務。
我們的研究開發了一種新型的雙發射比率熒光材料。
這種材料在接觸亞硝酸鹽後，會產生肉眼可見的光學顏色變化，並且具有出色的抗光漂白性。這些特性使得它在實際生活運用中具有巨大的套用潛力。例如，可以將這種材料結合傳感器件（如手套），透過其獨特的雙發射比率熒光特性來驗證亞硝酸鹽是否超標。
新材料在亞硝酸鹽檢測方面的表現，不僅為食品和環境中危險物質的檢測提供了創新的解決方案，還開發出了新的研究方向。未來我們還將繼續深入研究並拓展套用，期待這種新材料發揮更加重要的作用。
出品：科普中國
作者：楊亮、李淩飛（中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所）
監制：中國科普博覽
