Wenn Sie diese Handschuhe anziehen und berühren, können Sie mit bloßem Auge erkennen, ob der Nitritgehalt den Grenzwert überschreitet?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Yang Liang, Li Lingfei (Institut für Festkörperphysik, Hefei Institutes of Physical Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Ich glaube, jeder kennt Nitrit. Als stickstoffhaltige, anorganische Verbindung, die in der Natur allgegenwärtig ist, stellt es ein wichtiges Bindeglied im Stickstoffkreislauf dar. Es kann als Lebensmittelzusatzstoff verwendet werden, um die Haltbarkeit zu verlängern, eine übermäßige Einnahme kann jedoch zu Vergiftungen führen oder sogar krebserregend wirken. Gleichzeitig spielt Nitrit auch eine subtile Rolle im Körper, beispielsweise bei der Regulierung der Gefäßfunktion und der Stärkung des Immunsystems und der antibakteriellen Eigenschaften. Seine Forschung betrifft nicht nur die Lebensmittelsicherheit, sondern berührt auch die tiefen Mechanismen der Biowissenschaften.

Um das Vorhandensein von Nitrit genauer feststellen zu können , hat unser Forschungsteam (das Forschungsteam von Jiang Changlong und Yang Liang von der Forschungsabteilung für Energiematerialien und Geräteherstellung des Instituts für Festkörperphysik, Hefei Institutes of Physical Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften) vor Kurzem erfolgreich eine neue Methode entwickelt und eine Technologie zur schnellen Fluoreszenzvisualisierungserkennung von Nitrit vorbereitet und so neue Fortschritte bei der synchronen Visualisierungserkennung von Nitrit in Echtzeit erzielt. Die entsprechende Forschungsarbeit wurde in der Fachzeitschrift Hazardous Materials veröffentlicht.

Warum neue Methoden zur Erkennung gefährlicher Stoffe erforschen?

Tatsächlich ist es Inspektoren in den letzten Jahren gelungen, Gefahren in der Umwelt mithilfe traditioneller Techniken wie Elektrochemie, Kolorimetrie, UV-sichtbarer Absorption, Chemilumineszenz, Kapillarelektrophorese, Spektrophotometrie und Chromatographie zu identifizieren. Allerdings sind diese Methoden oft mit umständlichen Nachweisverfahren, teuren Instrumenten und unzureichenden visuellen semiquantitativen Möglichkeiten behaftet oder zeitaufwändig, was insgesamt ihre praktische Anwendung erschwert.

Die von uns entwickelte Fluoreszenzvisualisierungs-Erkennungstechnologie bietet die Vorteile der Einfachheit, Schnelligkeit, hohen Empfindlichkeit und einfachen Visualisierung und eignet sich hervorragend für die Analyse von Umweltgefahren.

So können wir beispielsweise mithilfe der von uns entwickelten neuen Materialien und Methoden in Kombination mit Sensorgeräten (wie Handschuhen) durch bloßes Berühren mit bloßem Auge feststellen, ob der Nitritgehalt in Lebensmitteln den Grenzwert überschreitet.

AG. Schematische Darstellung eines ratiometrischen Fluoreszenzmaterials in Kombination mit einem Handschuhsensor zur Nitriterkennung

(Bildquelle: Artikel des Autors)

Klimaanlage. Demonstration eines ratiometrischen fluoreszierenden Materials in Kombination mit einem Handschuhsensor zur Erkennung von Nitrit auf einer Mobiltelefon-Sensorplattform (quantitative Erkennung des Nitritgehalts)

(Bildquelle: Artikel des Autors)

Was ist die Fluoreszenzvisualisierungs-Schnellerkennungstechnologie? Warum Fluoreszenz verwenden?

Fluoreszenz ist ein physikalisches Phänomen, das auftritt, wenn eine Substanz bei Raumtemperatur Energie aus einfallendem Licht einer bestimmten Wellenlänge (normalerweise ultraviolettes Licht oder Röntgenstrahlen) absorbiert, in einen angeregten Zustand eintritt und in kürzerer Zeit Licht mit längerer Wellenlänge (normalerweise im sichtbaren Lichtband) mit geringerer Energie als das absorbierte Licht aussendet. Diese Art des emittierten Lichts wird Fluoreszenz genannt . Fluoreszenz hat normalerweise eine längere Emissionswellenlänge und verschiedene Farben. Es kann nach dem Ende der Anregung noch eine Zeit lang Licht aussenden, die Intensität nimmt jedoch allmählich ab, bis es verschwindet.

Der Mechanismus der Fluoreszenzdetektion basiert auf dem Prozess, dass ein bestimmtes Molekül nach der Absorption von Lichtenergie in einen angeregten Zustand (erhöhte chemische Reaktionsaktivität) übergeht und dann Energie in Form von Lichtstrahlung freisetzt, um in den Grundzustand (den energieärmsten und stabilsten) zurückzukehren, d. h. zur Fluoreszenzemission. Dieser Prozess hängt nicht nur von der Molekülstruktur ab, sondern wird auch von Umweltfaktoren beeinflusst.

Leuchtstäbe

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Mithilfe von Ballons können wir den Mechanismus der Fluoreszenzerkennung simulieren und demonstrieren. Wir blasen zuerst den Ballon auf, was dem Übergang eines bestimmten Moleküls in einen angeregten Zustand nach der Absorption von Lichtenergie entspricht. dann lassen wir den Ballon platzen, das ist der Prozess der Energiefreisetzung und der Rückkehr in den Grundzustand. Die Entstehung der Fluoreszenz verläuft ähnlich wie dieser Prozess.

Wie kann man diese Eigenschaft der Fluoreszenz zur Detektion nutzen?

Wir haben eine innovative Erkennungsmethode vorgeschlagen – die Schnellerkennungstechnologie mit Fluoreszenzvisualisierung. Zunächst wird der Fluorophor mit ultraviolettem Licht angeregt und anschließend die Entstehung, Löschung oder Intensitätsänderung der Fluoreszenz mit bloßem Auge beobachtet, um eine schnelle und visuelle Erkennung des zu prüfenden Objekts zu erreichen. Diese Technologie bietet erhebliche Vorteile wie niedrige Kosten, einfache Bedienung, leichte Tragbarkeit und hohe Empfindlichkeit.

Im Bereich der Lebensmittelanalyse wird die Schnellerkennungstechnologie mittels Fluoreszenzvisualisierung häufig eingesetzt, um schädliche Substanzen in Lebensmitteln wie Schwermetallionen, Pestizidrückstände und Zusatzstoffe zu erkennen. Diese Technologie verändert das Fluoreszenzsignal der lumineszierenden Substanz durch die Interaktion zwischen dem Fluoreszenzsensor und dem zu prüfenden Objekt und ermöglicht so eine schnelle qualitative und quantitative Erkennung des Ziels.

Versprühen von Pestiziden

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Von der monochromatischen Fluoreszenz bis zur ratiometrischen Fluoreszenz haben sich fluoreszierende Materialien schrittweise verbessert

Um das Fluoreszenzphänomen besser nutzen zu können, müssen Wissenschaftler die Vorteile fluoreszierender Materialien maximieren. Daher ist es sehr wichtig, eine Vielzahl von fluoreszierenden Materialien zu entwickeln, die für unterschiedliche Umgebungen geeignet sind. Die ratiometrische Fluoreszenz und die monochromatische Fluoreszenz sind zwei wichtige Methoden zur Fluoreszenzerkennung und unterscheiden sich in mehreren Dimensionen, was einen tiefgreifenden Einfluss auf die Verbesserung der analytischen Empfindlichkeit, Selektivität und Zuverlässigkeit hat.

Bei der monochromatischen Fluoreszenz liegt der Schwerpunkt auf der Messung der Fluoreszenzintensität bei einer einzelnen Wellenlänge. Diese Methode ist einfach und leicht und gehört zu den grundlegendsten und am weitesten verbreiteten Mitteln in der Fluoreszenzanalyse. Allerdings ist die monochromatische Fluoreszenzdetektion anfällig für externe Störungen, wie etwa die Stabilität der Lichtquelle, die Detektorempfindlichkeit und den Probenmatrixeffekt, die die Ergebnisse erheblich beeinflussen können.

Bei der Verhältnisfluoreszenztechnologie handelt es sich um eine fortschrittliche Strategie zur Fluoreszenzerkennung, bei der die Änderungen der Fluoreszenzsignale bei zwei oder mehr Wellenlängen gleichzeitig überwacht und das Verhältnis zwischen diesen Signalen berechnet wird. Der Vorteil dieser Methode liegt in ihrer inhärenten Selbstkalibrierungseigenschaft, die die durch externe Faktoren wie Schwankungen der Anregungslichtintensität, inhomogene Probenkonzentration oder Änderungen der Effizienz des optischen Systems verursachten Fehler teilweise ausgleichen kann.

Durch die ratiometrische Fluoreszenz wird die Stabilität und Genauigkeit der Messung erheblich verbessert, indem die relativen Änderungen der Fluoreszenzintensität bei unterschiedlichen Wellenlängen verglichen werden und nicht die absolute Intensität. Wenn fluoreszierende Sonden entsprechend konzipiert sind, um auf verschiedene Analyten oder Umweltveränderungen zu reagieren, kann die ratiometrische Fluoreszenz zudem umfassende molekulare Informationen liefern und die Selektivität und Empfindlichkeit der Erkennung verbessern.

Allerdings stellt die Verhältnisfluoreszenz, die so viele Vorteile bietet, auch sehr hohe Anforderungen an die Materialien. Die Forschung an ratiometrischen fluoreszierenden Materialien erfordert eine umfassende Betrachtung des strukturellen Designs, des Herstellungsprozesses und der Anwendungsanforderungen des Materials und ist eine komplexe und anspruchsvolle wissenschaftliche Forschungsaufgabe.

Im Rahmen unserer Forschung wurde ein neuer Typ ratiometrischen Leuchtstoffs mit dualer Emission entwickelt.

Mechanismus der Nitriterkennung unter Verwendung von fluoreszierenden Materialien mit dualem Emissionsverhältnis

(Bildquelle: Artikel des Autors)

Dieses Material erfährt bei Kontakt mit Nitrit eine mit bloßem Auge sichtbare optische Farbänderung und weist eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Photobleichung auf. Diese Eigenschaften verleihen ihm ein großes Anwendungspotenzial im wirklichen Leben. Beispielsweise kann dieses Material mit Sensorgeräten (wie Handschuhen) kombiniert werden, um anhand seiner einzigartigen Fluoreszenzeigenschaften mit dualem Emissionsverhältnis zu überprüfen, ob der Nitritwert den Standard überschreitet.

Die Leistung des neuen Materials bei der Nitriterkennung bietet nicht nur eine innovative Lösung für die Erkennung gefährlicher Substanzen in Lebensmitteln und der Umwelt, sondern eröffnet auch neue Forschungsrichtungen. Wir werden auch in Zukunft intensiv forschen und die Anwendungsmöglichkeiten erweitern und freuen uns darauf, dass dieses neue Material eine immer wichtigere Rolle spielen wird.