中國科學(xué)家設(shè)計出一種新方法:戴上手套就能檢測亞硝酸鹽是否超標(biāo)
亞硝酸鹽作為自然界中普遍存在的含氮無機(jī)化合物,是氮循環(huán)中的重要一環(huán),它作為食品添加劑,可以延長保質(zhì)期,但過量攝入可致中毒,甚至轉(zhuǎn)化為致癌物。同時,亞硝酸鹽在生物體內(nèi)也扮演著微妙角色,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)確地檢測出亞硝酸鹽的存在,近日,中國科學(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龍、楊亮研究團(tuán)隊成功設(shè)計出了一種新方法,制備出了針對亞硝酸鹽熒光可視化快檢的技術(shù),在實時同步可視化檢測亞硝酸鹽方面取得了新進(jìn)展,相關(guān)研究成果發(fā)表在《危害物材料》期刊。
檢測有害物質(zhì)的新方法
近年來,檢測人員已經(jīng)能夠通過使用傳統(tǒng)技術(shù),如電化學(xué)、比色法、紫外可見吸收法、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識別環(huán)境中存在的危害,但這些方法往往存在檢測程序繁瑣、儀器昂貴、視覺半定量能力差、耗時等問題,阻礙了實際應(yīng)用。
熒光可視化檢測技術(shù)具有簡單、快速、高靈敏度和易于可視化的優(yōu)勢,是做環(huán)境有害物分析的優(yōu)質(zhì)候選者。
比如,研究團(tuán)隊開發(fā)出的新材料和新方法,只要結(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)合手套傳感器檢測亞硝酸鹽的示意圖。圖片來源:作者文章
A-C. 比率熒光材料結(jié)合手套傳感器檢測亞硝酸鹽在手機(jī)傳感平臺上的展示(定量檢測亞硝酸鹽含量)。圖片來源: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),并且在較短時間內(nèi)發(fā)射出比吸收光能量低的出射光(長波長,波長在可見光波段),這種性質(zhì)的出射光被稱為熒光。熒光顏色各異,通常具有較長的發(fā)射波長,且停止激發(fā)后仍能持續(xù)發(fā)光一段時間,但強(qiáng)度會逐漸減弱,直至消失。
熒光檢測機(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),這個過程即熒光發(fā)射,這一過程不僅依賴于分子結(jié)構(gòu),還受環(huán)境因素影響。
我們可以用氣球模擬演示熒光檢測機(jī)理:先給氣球充氣,這一過程對應(yīng)著特定分子在吸收光能后躍遷至激發(fā)態(tài),然后戳破氣球,釋放能量返回基態(tài),熒光的產(chǎn)生與這一過程類似。
如何利用熒光做檢測?
研究團(tuán)隊提出了一種創(chuàng)新的檢測方法——熒光可視化快檢技術(shù),該方法先利用紫外光激發(fā)熒光團(tuán),再通過肉眼觀察熒光的產(chǎn)生、猝滅或強(qiáng)弱變化,實現(xiàn)對待測物的快速、可視化檢測,這種技術(shù)具有成本低、操作簡單、易攜帶以及靈敏度高等顯著優(yōu)點。
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)通過熒光傳感器與待測物的相互作用,使發(fā)光物質(zhì)的熒光信號發(fā)生變化,從而實現(xiàn)對目標(biāo)物的快速定性及定量檢測。
從單色熒光到比率熒光
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。因此,開發(fā)多種適用于不同環(huán)境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)鍵的熒光檢測方法,其差異體現(xiàn)在多個維度上,這些差異對于提升分析靈敏度、選擇性和可靠性具有深遠(yuǎn)影響。
單色熒光(Monochromatic Fluorescence)技術(shù),側(cè)重于單一波長下熒光強(qiáng)度的測量。該方法簡便易行,是熒光分析中最基礎(chǔ)且廣泛應(yīng)用的手段之一。然而,單色熒光檢測易受外界干擾,如光源穩(wěn)定性、檢測器靈敏度及樣品基質(zhì)效應(yīng)等,均可能對結(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)的熒光檢測策略,核心在于同時監(jiān)測兩個或多個波長下的熒光信號變化,并計算這些信號之間的比率。這種方法的優(yōu)勢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、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。
比率熒光通過比較不同波長下熒光強(qiáng)度的相對變化(而非絕對強(qiáng)度),能顯著提高測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。此外,熒光探針設(shè)計得當(dāng),就能夠響應(yīng)不同的分析物或環(huán)境變化,比率熒光還能提供豐富的分子信息,增強(qiáng)檢測的選擇性和靈敏度。
不過,優(yōu)點頗多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(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝和應(yīng)用需求,是一項復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)研究任務(wù)。
雙發(fā)射比率熒光材料檢測亞硝酸鹽的機(jī)制。圖片來源:作者文章
研究團(tuán)隊還開發(fā)了一種新型的雙發(fā)射比率熒光材料。這種材料在接觸亞硝酸鹽后,會產(chǎn)生肉眼可見的光學(xué)顏色變化,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),通過獨特的雙發(fā)射比率熒光特性,驗證亞硝酸鹽是否超標(biāo)。
新材料在亞硝酸鹽檢測方面的表現(xiàn),不僅為食品和環(huán)境中危險物質(zhì)的檢測提供了創(chuàng)新的解決方案,還開發(fā)出新的研究方向。未來,我們將繼續(xù)深入研究并拓展應(yīng)用,期待它能發(fā)揮更加重要的作用。
作者:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所楊亮、李凌飛
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