一种基于碱性品红功能化上转换纳米粒子的上转换纳米探针用于检测亚硝酸盐

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：An Upconversion nanoprobe based on basic fuchsin functionalized Upconversion nanoparticles for detecting nitrite

　　

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  基于酸性品红功能化的柠檬酸修饰上转换纳米粒子（Cit-UCNPs）构建了一种新型上转换纳米探针用于亚硝酸盐检测。
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  传感机理依赖于亚硝酸盐特异性结构修饰酸性品红所引起的内滤效应中断。
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  所设计的纳米探针可实现亚硝酸盐的高灵敏检测，具有低检出限和优异的抗干扰能力。
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  本研究为基于内滤效应的上转换发光传感平台的构建提供了新见解。

引言

亚硝酸盐（NO₂^?）是全球氮循环中的关键中间体，广泛存在于土壤、水体和食品中[1]。在食品工业中，亚硝酸盐常被用作肉制品的发色剂和防腐剂。然而，过量摄入对人类健康构成双重威胁：一方面，它会升高血液中的高铁血红蛋白水平，导致组织缺氧[2]；另一方面，在酸性条件下，NO₂^?可与胺类反应生成具有强致癌性的N-亚硝胺[3]。此外，工业废水排放和农业化肥径流等人为活动会导致环境水体中NO₂^?浓度升高，从而破坏生态平衡[4]。

目前NO₂^?的分析方法包括分光光度法[5]、高效液相色谱法（HPLC）[6]、离子色谱法[7]和电化学技术[8]。其中，基于荧光的传感方法具有独特优势。传统下转换荧光依赖紫外/可见光激发，易受背景自发荧光干扰，组织穿透深度有限，且会造成显著的光损伤。相比之下，上转换发光利用近红外（NIR）光激发并发射可见光，可有效规避背景干扰，提高信噪比，同时兼具深层组织穿透能力和最小化的光损伤，使其成为复杂基质中高灵敏、高选择性检测NO₂^?的理想平台[9]。

上转换纳米探针（UCNPs）在980 nm等近红外光激发下可通过多光子吸收过程发射可见光，具有大的反斯托克斯位移、几乎无自发荧光、优异的光稳定性和低毒性等特点[10]，[11]。基于UCNPs的传感策略通常分为F?rster共振能量转移（FRET）和内滤效应（IFE）两类[12]。FRET要求供体与受体之间距离极近（通常＜10 nm），且需要足够的谱带重叠。然而，由于大多数发光中心（稀土离子）嵌于UCNPs内部，往往超出有效FRET距离，因此通常需要复杂的表面修饰和化学偶联才能将受体带到纳米颗粒表面附近。相比之下，基于IFE的传感方法不受此距离限制，因为它仅依赖受体对激发光或发射光的吸收，而不需要供体与受体之间的物理接触或邻近排列。因此，基于IFE的传感器可省去繁琐的偶联步骤，简化整体设计，并通常实现更优的信噪比和更高的检测灵敏度[13]，[14]。例如，Rong等人基于金纳米颗粒介导的IFE开关构建了用于食品中全氟辛烷磺酸检测的上转换纳米传感器[15]。Chen等人开发了基于IFE机理用于定量检测NO₂^?和沙拉沙星的"关闭-开启"型上转换纳米传感器[16]。

本研究设计了一种基于IFE机理的NO₂^?检测上转换纳米探针，以柠檬酸修饰的上转换纳米粒子（Cit-UCNPs）为能量供体，酸性品红（BF）为能量受体。该设计利用了NO₂^?诱导BF特异性结构调变的作用。Cit-UCNPs@BF系统的传感原理如图1A所示。首先通过溶剂热法合成油酸包覆的UCNPs（OA-UCNPs）[17]，随后与柠檬酸进行配体交换以获得水分散性的Cit-UCNPs。之后，Cit-UCNPs与BF通过静电作用组装形成Cit-UCNPs@BF复合物。在该体系中，Cit-UCNPs的上转换发光被BF通过IFE高效猝灭。当在酸性条件下引入NO₂^?时，它被转化为亚硝酰阳离子（NO⁺）。作为亲电试剂，NO⁺特异性地攻击BF富电子的仲胺基团，形成N-亚硝胺结构[18]。该结构转变引起BF紫外-可见吸收光谱的显著变化，从而消除了与Cit-UCNPs的谱带重叠。因此，IFE过程被中断，Cit-UCNPs的发光随NO₂^?浓度的增加逐渐恢复，可在40–200 μM范围内实现定量分析，检出限低至1.03 μM（S/N = 3），且具有优异的抗干扰性能。值得注意的是，如图1B所示，该纳米探针在腌制蔬菜中检测NO₂^?的有效性也得到了验证。这为NO₂^?的快速灵敏检测提供了策略，也为基于IFE的上转换荧光探针的合理设计提供了有价值的见解。

本研究构建了一种基于BF的仲胺与酸性条件下产生的NO⁺之间的亚硝化反应来响应亚硝酸盐的纳米探针，该反应触发对Cit-UCNPs的IFE。传感系统通过简单混合Cit-UCNPs与低成本的BF即可组装，无需共价标记、抗体固定化或适配体功能化。980 nm近红外光激发可有效抑制腌制蔬菜等复杂食品基质的自发荧光，从而提高实际样品测量中的信噪比。

章节摘要

材料与方法

补充材料提供了材料和试剂、仪器与表征方面的必要信息。

制备样品的表征

为了更好地分析纳米粒子的形貌和尺寸，进行了TEM表征。TEM图像（图1A和B）显示NaYF₄:Yb,Er和Cit-UCNPs具有均匀的粒径和高的单分散性。如图1C所示，NaYF₄:Yb,Er的平均粒径为22.3 nm。通过XRD对NaYF₄:Yb,Er的晶体结构进行了研究。如图1D所示，衍射峰与标准卡片（PDF 28–1192）吻合良好[24]，未观察到杂质峰，表明该

结论

本研究以Cit-UCNPs为能量供体、BF为能量受体，设计并构建了一种基于IFE机理的NO₂^?检测上转换纳米探针。NO₂^?在酸性条件下被转化为NO⁺，攻击BF富电子的仲胺基团，形成N-亚硝胺结构。IFE过程被阻断，纳米探针的发光得以恢复，实现了对NO₂^?的高灵敏检测，检出限为1.03 μM（S/N = 3）。此外，该

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究受到安徽省智能装备质量与可靠性重点实验室开放项目（IEQRKL2401）、安徽省优秀研究与创新团队项目（2024AH010029）、安徽省自然科学基金（2108085MB67）、苏州大学学科建设与科研平台项目（2024XK01）、苏州大学博士启动基金项目（2025BSK046）以及安徽省博士后基金项目（2024C895）的资助。

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