Bimodal optical nanosensor based on upconversion fluorescence resonance energy transfer and gold nanoparticle interactions for high sensitivity and colorimetric evaluation of ractopamine in pork
本研究提出了一种高灵敏度的双模态光学纳米传感器，该传感器通过整合上转换荧光共振能量转移与金纳米颗粒聚集技术，实现了对猪肉样本中莱克多酚碱残留物的快速、选择性且可靠的比色及荧光检测。
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在食品安全领域，化学残留这一隐形威胁始终是消费者和监管机构共同关注的问题。在这些化学物质中，一种被称为莱克多品（ractopamine）的合成物质引起了特别关注。它最初是为治疗人类哮喘而开发的，但一些畜牧业者非法将其用于让动物生长出更瘦的瘦肉，以加速生长。虽然这种做法提高了产量，但这种化学物质可能会残留在我们食用的肉类中，可能导致食用者出现心悸、震颤及其他严重的健康问题。检测这些痕迹非常困难，因为该化学物质性质稳定且能耐受烹饪，而传统的检测方法通常需要昂贵的机器和复杂的实验室程序，速度太慢，无法满足市场或农场快速检查的需求。为了解决这个问题，科学家们转向了纳米技术，特别是使用一种在遇到特定目标时会发光或改变颜色的微小粒子。其中一种技术涉及上转换纳米颗粒（upconversion nanoparticles），这是一种特殊的晶体，能够吸收不可见光并发出可见光颜色；以及金纳米颗粒（gold nanoparticles），这是一种在聚集时会改变颜色的微小金属球。通过结合这两类粒子，研究人员可以创造出一种传感器，它就像一只高灵敏度的“化学眼”，能够通过视觉信号和精确测量同时发现危险残留物。
来自中国的研究团队开发了一种新型双模传感器，利用这些原理来快速、准确地检测猪肉中的莱克多品。该过程始于传感器两个主要组件的制备。首先，科学家们通过一种涉及在密封容器中加热稀土金属混合物的方法合成了上转换纳米颗粒。这些颗粒被聚合物包裹，以确保它们能在水中自由漂浮并携带正电荷。接着，他们采用了一种绿色、环保的方法制造了金纳米颗粒。他们没有使用有害化学品，而是从油栗皮中提取天然化合物，将金溶液转化为微小的红色球体。这些金球随后经过一种名为L-半胱氨酸（L-cysteine）的特定氨基酸修饰，这种氨基酸就像一个分子钩子，随时准备抓住莱克多品分子。
该传感器通过将这两类粒子结合在一起发挥作用。由于上转换颗粒带正电而金颗粒带负电，它们会自然地粘在一起，形成紧密的伙伴关系。当这种伙伴关系形成时，金颗粒就像海绵一样，吸收来自上转换颗粒的光能，从而阻止它们发光。这种状态是传感器的“关闭”开关。然而，当莱克多品存在时，它会冲向金颗粒并紧紧结合在L-半胱氨酸钩子上。这种结合非常牢固，以至于它会将金颗粒从上转换伙伴身边拉开，并导致金颗粒彼此聚集。这种分离打破了原有的伙伴关系，使得上转换颗粒重新发光，同时金颗粒的聚集会导致液体由红色变为蓝色。
研究人员测试了这一系统，发现它极其有效。在基于颜色的模式下（即人可以直接观察液体），传感器可以检测到浓度低至每升0.5微摩尔的莱克多品，随着化学物质量的增加，颜色会发生从红到蓝的可见转变。为了获得更高的灵敏度，团队使用了荧光模式来测量上转换颗粒的发光情况。这种方法证明更加精确，能够检测到低至每升0.05微摩尔含量的莱克多品。该传感器还具有高度的选择性，这意味着它会忽略食物中常见的其他物质，如不同的氨基酸、糖类甚至其他类似的药物，只专注于莱克多品。为了证明其实际应用价值，团队在添加了已知量化学物质的实际猪肉样本上测试了该传感器。传感器成功识别了莱克多品并高精度地计算了含量，其结果与专家使用的标准实验室测试结果相吻合。
这一成功的科学原理在于莱克多品分子与传感器相互作用的具体方式。通过详细的计算机模拟和化学分析，研究人员证实莱克多品分子起到了“桥梁”的作用。它有两个不同的末端，可以同时抓取两个不同的金颗粒，从而有效地实现交联并导致聚集，进而触发颜色变化。这种特定的桥接作用是莱克多品所特有的，因为它具有独特的形状和化学结构，这也解释了为什么传感器不会对其他类似药物产生反应。研究还排除了其他可能导致信号变化的因素，例如简单的化学干扰或随机聚集，确认了检测是由这种特定的“分子握手”驱动的。通过将简单的视觉检查与高灵敏度的光测量相结合，这种新型传感器提供了一个强大的工具，以确保我们盘中的肉类不含有害残留物，为监测食品安全提供了一种快速、可靠且易于获取的方式。
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