荧光光谱应用 | 上转换荧光光谱仪应用之N-腌肉里的致癌物亚硝基二甲胺(NDMA)快速检测

DMA的检测难点，在于“低浓度、现场化、高特异性”的三重矛盾：

• 浓度太低：法规要求≤3 ng/mL，相当于在1吨水里找1粒盐；

• 现场难测：GC-MS需要把样品带到实验室，等结果出来，腌肉可能已经卖出去了；

• 容易误判：加工肉里的脂肪、蛋白质会干扰检测，得“精准识别”NDMA。

• 荧光光谱仪的特性刚好破局——尤其是搭配上转换纳米粒子（UCNPs）时：

UCNPs是一种能把“近红外光（980 nm）”转换成“可见光（比如450 nm蓝紫光）”的纳米材料，它的优势正好适配荧光光谱仪：

• 抗干扰：近红外光穿透性强，能避开样品自身的自发荧光（比如肉里的色素），信噪比比普通荧光探针高3–5倍；

• 高灵敏：UCNPs的发光峰极窄（半峰宽<20 nm），荧光光谱仪能精准捕捉微弱信号，甚至能测到pg/mL级浓度；

• 稳得住：UCNPs不会像有机荧光染料那样“光漂白”（照几次就没信号了），适合反复测固体薄膜样品。

简单说：UCNPs负责“把NDMA的存在转成光信号”，荧光光谱仪负责“把光信号转成可读数据”——二者合起来，就是一个“能现场用的NDMA探测器”。

基于荧光共振能量转移（FRET, F?rster Resonance Energy Transfer）原理。具体过程如下：首先使用980纳米的近红外光作为激发光源，照射上转换纳米粒子（UCNPs），这些纳米粒子吸收低能量近红外光后，转换为高能量的短波长可见光，主要是450纳米左右的蓝光。当体系中存在Dabcyl淬灭剂时，由于Dabcyl的吸收光谱与UCNPs的发射光谱高度重叠，能量会通过非辐射方式从UCNPs转移给Dabcyl，导致荧光淬灭，此时信号处于"关闭"状态。而当样品中存在目标物NDMA时，NDMA会与特异性适配体结合，导致Dabcyl从复合物上脱离，荧光信号得以恢复，此时信号转为"开启"状态。通过测量荧光强度的变化，即可实现对NDMA的定量检测。

使用由如海光电提供的980上转换荧光光谱仪测试。激发光源采用980纳米半导体激光器，这种近红外光具有穿透性强、背景干扰低的优点。光谱仪选用便携式荧光光谱仪，具备高灵敏度信号采集能力，能够实现450纳米蓝光波段的精准检测。样品台设计为固相薄膜支架，可以直接测量zein-UCNPs复合膜，无需复杂的样品转移步骤。

整个实验流程分为四个关键步骤。第一步是上转换纳米粒子的合成；第二步是生物功能化修饰；第三步是固相薄膜的制备，将功能化UCNPs与玉米醇溶蛋白（zein）混合，采用静电纺丝技术制备复合纳米纤维膜；第四步是荧光光谱检测，将制备好的薄膜置于密封盒中，与待测的腌制肉样品共同孵育。随后使用便携式荧光光谱仪采集信号。

图1 基于玉米醇溶蛋白薄膜的UCNPs纳米传感器用于 NDMA 检测的示意图。

图2（A）展示了FRET机制的关键验证数据。图中黑色曲线代表Dabcyl的吸收光谱，其最大吸收峰位于450纳米附近；紫色曲线代表UCNPs的发射光谱，主峰同样位于450纳米蓝光区域。两条曲线的重叠度极高，这满足了FRET发生的必要条件，即供体发射光谱与受体吸收光谱必须有显著重叠，且两者距离需小于10纳米。

图2(C)通过荧光寿命测量进一步验证了能量转移机制。纯UCNPs的荧光寿命为525.23微秒，而当与Dabcyl形成复合物后，荧光寿命缩短至462.45微秒，下降了约12%。荧光寿命的缩短直接证明了非辐射能量转移的发生，这是FRET机制成立的决定性证据，因为单纯的荧光强度变化可能受浓度、光路等多种因素影响，而荧光寿命是物质的固有属性，其变化最能反映真实的能量转移过程。

图2 FRET系统的验证：(A) UCNPs荧光光谱与dabcyl紫外-可见吸收光谱的对比；(B) UCNPs与dabcyl之间的激发及FRET机制；(C) UCNPs及其与dabcyl复合物的荧光寿命。

图3(A)展示了不同NDMA浓度下的荧光光谱变化。当NDMA浓度为0.05纳克每毫升时，体系处于基线信号状态，荧光被充分淬灭。随着浓度从0.1纳克每毫升逐步增加到10纳克每毫升，荧光强度呈现阶梯式上升，这反映了适配体与NDMA结合后Dabcyl逐步脱离的过程。当浓度超过100纳克每毫升时，信号趋于饱和，这是因为适配体的结合位点已达到饱和状态。

图3(B)呈现了标准曲线与线性关系分析。研究团队通过数学拟合得到回归方程，该曲线的相关系数R平方达到0.9867，表明线性关系良好。线性范围为0.05至100纳克每毫升，完全覆盖了实际检测需求。通过三倍标准偏差法计算，检测限（LOD）低至0.017纳克每毫升，即17ppt（万亿分之一），这一灵敏度不仅优于传统GC-MS方法，更远低于NDMA的致癌物安全阈值（3纳克每毫升）。

图3 采用所提出的固相生物传感器检测 NDMA ：(A)纳米传感器在不同浓度 NDMA 存在下的上转换荧光光谱；(B)荧光强度与不同浓度 NDMA 之间的校准曲线，插图显示荧光强度与对数 NDMA 浓度之间的线性关系。

在实际样品验证中，培根、香肠和火腿三种腌制肉制品的加标回收率介于95.8%至100.2%之间，相对标准偏差（RSD）控制在7%以内。与GC-MS标准方法进行统计学t检验，结果显示两者无显著差异（p值大于0.05），充分证明了该荧光光谱方法的准确性和可靠性。

本研究借助由如海光电提供的荧光光谱仪完成全流程荧光信号采集与定量分析，结果表明，所构建的玉米醇溶蛋白薄膜-上转换纳米粒子固相荧光生物传感器，可基于荧光共振能量转移机制实现对腌制肉制品中 N-亚硝基二甲胺（NDMA）的高灵敏、高特异性识别，在荧光光谱仪测试下该体系呈现良好的线性响应关系，检出限低至 0.017 ng/mL，对结构类似物无明显干扰，实际样品检测回收率为 95.8%–100.2%，检测结果与 GC-MS 方法无显著性差异，充分证明荧光光谱仪能够为 NDMA 现场快速检测提供准确、稳定、灵敏的定量支撑，该传感方法可满足肉制品加工过程中 NDMA 原位、快速、便携监测的实际应用要求。

荧光光谱仪的检测灵敏度较高，能够检测环境样品中的痕量污染物、生物体内的低丰度蛋白以及材料中的微量杂质。这种灵敏度为早期诊断、预警监测和质量控制提供了可靠的技术基础。

荧光检测具备良好的选择性优势。通过精确设定激发波长和发射波长，可以有效区分不同荧光物质，排除干扰信号。

荧光光谱检测是一种非接触、非破坏性的分析方法，样品在测试过程中不受损伤，测试后可以回收用于其他分析。同时，荧光光谱仪能够实现毫秒级甚至微秒级的快速响应，支持实时动态监测，为过程控制和机理研究提供时间分辨数据。

便携式荧光光谱仪体积缩小至手提箱级别，重量减轻至数公斤，可在野外、车间、临床现场等环境中直接使用。工业在线监测系统能够适应高温、高压、腐蚀性等恶劣工况，使检测能力延伸到样品产生的源头。

• 食品安全检测领域：可用于肉制品、水产、粮油、果蔬、饮料等样品中，农兽药残留、生物毒素、重金属离子、违禁添加物、致癌污染物、微生物等快速定量检测，覆盖生产、加工、流通全链条。

• 环境监测与水质分析：适用于地表水、地下水、污水、土壤、大气中，重金属、挥发性有机物、微塑料、环境激素、农药残留、氮 / 磷污染物等痕量物质的快速监测，支撑环境风险预警与治理。

• 生物医药与临床诊断：用于生物标志物检测、蛋白质 / 核酸定量、细胞成像、药物筛选、药效评估、体外诊断试剂开发，以及免疫分析、POCT 即时检测、活体荧光示踪等生命科学研究。

• 材料科学与纳米技术：研究对量子点、上转换纳米粒子、荧光薄膜、高分子材料、光学涂层等进行光学性能表征，包括荧光发射、荧光寿命、量子产率、能量转移效率等，支撑新型功能材料研发。

• 工业生产与过程监控：应用于食品加工、化工、制药、化妆品等行业，实现原料入厂检验、生产过程在线监控、成品质量快速把关，提升生产稳定性与产品合格率。

• 海关口岸与公共安全：用于进出口商品快速筛查、违禁品检测、毒物分析、突发公共卫生事件现场快速检测，实现高灵敏、无接触、快速判定，保障公共安全与贸易便利化。

• 农业与畜牧养殖：检测土壤养分、作物病害、饲料添加剂、畜禽产品中抗生素与激素残留，助力智慧农业、绿色养殖与农产品品质管控。

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