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基于近红外激发的稀土上转换纳米颗粒与碱性品红组成的比率荧光水凝胶传感器，实现了亚硝酸盐的高灵敏检测（72 nM），并开发了智能手机集成便携检测平台。
刘汉清|周海峰|徐静|丁乐|周广军|陈世伟|娄有新
齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程学院，济南 250353，中国
摘要
食品生产和保存过程中过量使用亚硝酸盐会导致血液和消化系统疾病，这凸显了快速准确定量检测亚硝酸盐的必要性。在这项研究中，我们开发了一种基于近红外（NIR）激发的比率荧光水凝胶传感器的新颖视觉检测方法。在该传感器中，NIR激发的上转换纳米粒子（UCNPs）和碱性品红（BF）分别作为能量供体和受体，共同构成了一个集成的比率荧光探针。该上转换光学探针进一步嵌入到三维（3D）多孔聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶中，制备出一种对亚硝酸盐具有特异性光学和比色响应的智能水凝胶纳米传感器。该水凝胶纳米传感器具有较高的上转换探针负载能力，并提供了液相检测环境，从而显著提高了荧光信号的稳定性和检测灵敏度。UCNPs的NIR激发有效防止了水凝胶和实际样品的背景荧光干扰。BF作为亚硝酸根离子的特异性识别单元，其存在改变了水凝胶传感器的绿色与红色强度（G/R）比，便于实时定量检测亚硝酸盐。此外，该水凝胶传感器与智能手机集成，形成了一个便携式的视觉亚硝酸盐检测平台。使用该探针和水凝胶传感器检测亚硝酸盐的检出限分别低至60.7 nM和72 nM。这种新型基于UCNPs的水凝胶纳米传感器为检测食品中的有害物质提供了一种新的方法，显示出在食品安全监测中应用便携式荧光传感设备的巨大潜力。
引言
亚硝酸盐是食品加工行业中的关键添加剂和防腐剂，在改善食品颜色、抑制微生物生长（尤其是肉毒梭菌）和提升风味方面起着重要作用[1]、[2]、[3]。然而，它的存在也对人类健康构成严重威胁[4]。长期摄入膳食亚硝酸盐可能损害血红蛋白的携氧能力，从而导致组织缺氧和随之而来的低血压或血管扩张[5]、[6]。此外，胃酸可以催化亚硝酸盐与胺类（包括氨基酸和蛋白质磷脂）的反应，生成亚硝胺[7]。过量或长期摄入亚硝胺不仅会危害人类健康，还可能诱发癌症，尤其是胃癌和食管癌[8]、[9]、[10]。尽管亚硝酸盐被国际公认为致癌物，但其作为食品防腐剂的非法使用仍然存在，这引起了食品行业的极大关注。世界卫生组织规定了人类每日可耐受的亚硝酸盐摄入量：肉类为30 mg/kg，饮用水为3 mg/L[11]。因此，开发高灵敏度、快速响应、便携且易于实施的亚硝酸盐检测方法对于确保食品安全和人类健康至关重要。
迄今为止，已经开发出了多种亚硝酸盐检测方法，包括电化学分析[12]、比色法[13]、化学发光[14]、毛细管电泳[15]、分光光度法[2]、[16]和色谱法[17]。然而，这些方法通常存在一些局限性，如设备体积庞大、环境基质干扰检测结果、成本高昂以及应用场景复杂，这些因素阻碍了它们在实际检测中的广泛应用[18]、[19]。相比之下，基于荧光的亚硝酸盐检测方法因其高灵敏度、成本效益、操作简便和背景光干扰小而得到广泛应用[20]、[21]、[22]、[23]。特别是比率荧光检测技术由于具有自校准功能，在传感器准确性和灵敏度方面表现出色，优于传统的单信号荧光方法。例如，刘等人开发了一种用于检测氯霉素的比率荧光传感平台，他们使用了SiC@ZIF-8@MIP，利用氯霉素的聚集诱导发射（AIE）效应产生绿色荧光[24]。卢等人使用Fe-MIL-88NH2和金纳米簇开发了一种用于检测硫胺素的红/蓝比率荧光生物传感器[25]。韩等人采用了一种比率型近红外（NIR）荧光探针（Cy-SS）来定量活细胞和体内的抗氧化剂[26]。然而，常用的比率型荧光纳米材料（包括金属纳米簇、无机量子点和有机染料）由于其复杂的结构和显著的信号干扰而存在局限性，降低了检测精度。作为潜在的替代方案，掺镧的上转换纳米粒子（UCNPs）因其独特的性质（如可调尺寸、发光特性、低背景荧光和弱光漂白能力）而受到研究人员的关注[27]、[28]、[29]。在现有的主流检测技术中，将智能手机与低成本的三维（3D）打印技术结合，并将荧光探针固定在试纸上是一种低成本且易于操作的策略。然而，与液相检测器不同，基于纸张的荧光传感器需要在多个反应区分布分析物，并在每个区域使用相同体积的试剂。这些要求主要是由于探针固化、打印或浸渍过程中的有限负载能力[30]、[31]。因此，开发高灵敏度、低成本的便携式亚硝酸盐荧光传感器仍然具有挑战性。
水凝胶作为荧光传感器的固定载体比纸张更合适，因为它们具有更好的机械稳定性、高透射率、半湿润结构、可调尺寸以及稳定的三维亲水聚合物网络[32]、[33]。首先，水凝胶的高可调性和多孔结构有助于均匀加载荧光传感器，从而防止纳米粒子聚集并减少外部环境因素引起的误差。因此，它们提供了优异的纳米粒子稳定性和增强的光学响应[34]、[35]。此外，水凝胶的三维多孔半湿润结构为检测提供了液相环境，这种环境促进了目标分析物的扩散，提高了检测结果的可靠性。这些优势使得基于水凝胶的纳米传感器在食品和环境安全监测中具有广泛应用前景[36]。曹等人将AuAg@SiO2嵌入琼脂糖水凝胶中，并将其与FA反应试剂3-甲基-2-苯并噻唑酮腙（MBTH）的三维基质结合，最终获得了对FA具有高选择性的水凝胶贴片[37]。梅等人构建了一种水凝胶纳米传感器，利用Lu3+配体诱导的增强荧光，实现了多西环素的视觉敏感检测，检出限为53.7 nM[38]。李等人通过将荧光探针嵌入水凝胶中，实现了对蔬菜和水果中噻虫嗪的荧光响应[39]。然而，大多数现有的荧光水凝胶受短波长光激发，容易引起水凝胶基质的背景荧光干扰，影响探针信号。相比之下，980 nm近红外（NIR）区域激发的比率上转换荧光探针可以有效减少基质背景，从而提高检测灵敏度和准确性[32]、[33]。此外，这种水凝胶纳米传感器可以与智能手机紧密集成；通过识别荧光颜色，它们可以对多种目标实现多功能检测[34]。因此，将980 nm NIR激发的比率UCNPs与水凝胶结合，构建便携式智能纳米传感器用于亚硝酸盐监测是一个非常有前景的策略。
在这项研究中，我们开发了一种基于UCNPs的自比率双模态水凝胶纳米传感器，以实现高灵敏度的亚硝酸盐检测。水凝胶中的纳米传感器由UCNPs和碱性品红（BF）组成。在没有亚硝酸盐的情况下，BF能有效淬灭UCNPs的绿色荧光，而红色发射保持稳定。当存在亚硝酸盐时，UCNPs与BF发生重氮化反应，导致BF褪色并恢复UCNPs的绿色荧光。这一特性使得可以通过比率荧光和比色方法实现亚硝酸盐的双模检测，检出限分别为60.7 nM和393 nM。为了便于现场应用，将基于UCNPs的纳米探针嵌入聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶中，制备出水凝胶纳米传感器。该水凝胶传感器具有优异的机械性能、光学透明度和稳健的三维孔结构，能够高效加载UCNPs纳米探针，同时提供稳定的液相反应环境。这些特性显著提高了其灵敏度，并克服了基于纸张的传感器的局限性。此外，UCNPs的NIR激发有效减少了水凝胶基质和实际样品的背景荧光干扰，进一步提高了结果的可靠性。另外，基于3D打印技术开发了一种智能手机驱动的便携式检测平台，具有低成本和便携性的优点，最小检出限为72 nM。在实际样品中检测亚硝酸盐时，该平台表现出高响应性，显示出在食品安全监测和健康评估方面的强大潜力。
材料与设备
稀土醋酸盐：Y(CH3CO2)3·4H2O、Yb(CH3CO2)3·4H2O和Er(CH3CO2)3·4H2O从济宁天意新材料公司购买。研究中使用的其他关键试剂包括N,N,N,N'-四甲基乙二胺（TEMED）、亚硝酸钠（NaNO2）、N,N'-甲基双丙烯酰胺（纯度99%）、碱性品红（BF）、1-十八烯（ODE，纯度90%）、过硫酸铵（(NH4)2S2O8）、油酸（OA，纯度90%）和丙烯酰胺（纯度98%），均来自Aladdin Reagents Corporation（上海，中国）。
UCNPs的表征
在这项研究中，首先合成了NaYF4:Yb/Er核纳米粒子，然后通过在外层生长惰性的NaYF4壳层来增强其UCF信号（图S1）。惰性NaYF4壳层在核纳米粒子周围的沉积形成了多层结构，促进了稀土离子之间的高效能量转移，从而显著增强了UCNPs的荧光强度。TEM成像（图1A和S2A）显示了...
结论
在这项研究中，我们成功设计并开发了一种便携式比率荧光传感平台，采用上转换水凝胶传感器核心，用于快速实时监测食品中的亚硝酸盐变化。该传感器通过将上转换纳米探针嵌入PAM水凝胶的三维网络结构中制备而成，与亚硝酸盐接触时表现出双模多色响应。与之前的亚硝酸盐荧光探针相比，所提出的水凝胶传感器具有多个主要优势...
CRediT作者贡献声明
刘汉清：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理，正式分析，数据管理。周海峰：验证，监督，软件，资源，方法学，研究，资金获取，正式分析，数据管理。徐静：资源，项目管理，方法学，研究，概念化。丁乐：软件，资源，项目管理，方法学。周广军：项目
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：周海峰报告称得到了山东省科技发展计划的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢山东省科技发展计划（2022TSGC1016）、山东省关键研发计划（编号2024TSGC0973、2024TSGC0972）、山东省科技中小企业创新能力提升项目（编号2025TSGCCZZB0603和2025TSGCCZZB0613）的财政支持。
