利用金纳米粒子介导的内滤效应切换实现食品中全氟辛烷磺酸的上转换荧光检测

《Journal of Food Composition and Analysis》：Gold nanoparticle-mediated inner filter effect switching for upconversion fluorescent detection of perfluorooctane sulfonic acid in foods

　　本论文开发了一种基于内滤波效应的上转换荧光纳米传感器，通过聚乙二醇修饰金纳米颗粒与上转换纳米颗粒的相互作用实现PFOS检测，检出限低至0.31nM，并成功应用于鱼油、肉和牛肉等实际样品分析。

　　近年来，随着工业化和现代化的快速发展，环境和食品中的污染物问题日益受到关注。其中，全氟辛烷磺酸（Perfluorooctane sulfonic acid，PFOS）作为一种典型的持久性有机污染物，因其难以降解的特性而成为研究的热点。PFOS不仅广泛应用于工业和消费品中，还因其对生态环境和人类健康的潜在威胁而备受重视。本文介绍了一种基于上转换荧光纳米传感器的新型检测方法，旨在实现对PFOS的高效、快速和灵敏检测。

PFOS的环境持久性和生物累积性使其成为全球关注的重点污染物之一。由于其分子结构中含有稳定的碳-氟键，PFOS在自然环境中几乎无法被分解，能够长期存在并逐渐积累在生物体内。这种特性使得PFOS在水体、土壤以及生物体内的残留成为不可忽视的问题。此外，PFOS的毒性作用也被广泛研究，它可能影响肝脏、免疫系统和内分泌系统等，进而对人类健康造成威胁。因此，开发一种快速、高效的检测方法对于环境和食品安全的监控具有重要意义。

传统的检测方法主要依赖于仪器分析，如高效液相色谱（HPLC）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）等。这些方法虽然具有较高的准确性，但通常需要复杂的样品前处理过程、较长的检测时间以及昂贵的设备和试剂，限制了其在实际应用中的推广。为了克服这些缺点，近年来研究人员开始探索基于光学原理的纳米传感技术，尤其是上转换纳米粒子（Upconversion Nanoparticles，UCNPs）的应用。UCNPs能够在低能量的近红外光照射下发出高能量的紫外或可见光，这一特性使其在生物传感和环境监测领域展现出巨大的潜力。

在现有的研究中，一些基于上转换纳米粒子的传感器已被用于检测PFOS。这些传感器通常通过构建共价有机框架（COFs）或分子印迹聚合物（MIPs）作为识别元件，并结合光诱导电子转移（Photoinduced Electron Transfer，PET）机制来实现对PFOS的检测。然而，PET机制的验证过程较为复杂，且响应速度相对较慢，这在实际应用中可能影响检测效率。因此，寻找一种响应更快、检测更简便的替代方法成为研究的重点。

本文提出了一种基于内滤效应（Inner Filter Effect，IFE）的上转换荧光纳米传感器，用于检测PFOS。IFE是一种非辐射过程，当受体的吸收峰与荧光供体的发射峰发生重叠时，可以有效地调节荧光信号的强度。与传统的荧光共振能量转移（FRET）机制相比，IFE不需要供体和受体之间满足严格的距离要求，从而简化了检测过程。此外，内滤效应在荧光信号调节方面具有较高的灵敏度和选择性，使得其在纳米传感器设计中具有独特的优势。

在该纳米传感器的设计中，研究者选择了金纳米颗粒（Gold Nanoparticles，AuNPs）作为受体材料，而上转换纳米粒子（UCNPs）则作为荧光指示器。通过将聚乙二醇（PEG）和全氟烷基硫醇（F-SH）共同修饰在AuNPs表面，可以有效增强其在水中的分散性，同时利用F-SH与PFOS中的氟键（-F）之间的特异性相互作用，实现对PFOS的识别和富集。当PFOS存在时，它会与F-SH发生强烈的相互作用，导致AuNPs发生聚集，从而改变其吸收特性。这种聚集现象会减弱IFE对UCNPs荧光的抑制作用，使UCNPs的荧光信号恢复并增强，从而实现对PFOS浓度的定量检测。

在实验过程中，研究人员通过优化AuNPs和UCNPs的制备工艺以及它们之间的相互作用条件，成功实现了对PFOS的高效检测。该方法的检测限（Limit of Detection，LOD）达到了0.31 nM，且在200 nM至10^5 nM的浓度范围内表现出良好的线性响应和重复性。此外，该传感器在实际食品样本中的应用也表明了其良好的适用性和稳定性，为环境和食品安全的快速监测提供了新的思路和技术支持。

该研究的创新之处在于，通过利用内滤效应和全氟键的特异性相互作用，构建了一种新型的纳米传感器，能够在不依赖复杂仪器分析的情况下，实现对PFOS的快速、灵敏和高选择性的检测。与传统的检测方法相比，这种方法不仅降低了检测成本，还提高了检测效率，为环境和食品安全的现场检测提供了新的可能性。

在实际应用中，这种纳米传感器可以用于监测水体、土壤以及食品中的PFOS含量。特别是在食品检测领域，该方法可以用于检测鱼油、肉类等食品中的PFOS残留，为食品安全监管提供可靠的数据支持。此外，由于其检测过程简单、快速，这种方法还可以用于现场快速筛查，帮助相关部门及时发现污染源并采取相应措施。

从技术角度来看，该研究展示了纳米材料在环境和食品安全检测中的巨大潜力。通过合理设计纳米材料的结构和功能，可以实现对特定污染物的高效识别和定量分析。这种方法不仅适用于PFOS的检测，还可能拓展到其他类型的全氟化合物（Perfluorinated Compounds，PFCs）或环境污染物的检测。因此，该研究为未来开发更多基于纳米材料的环境和食品安全监测技术奠定了基础。

在实验设计和方法验证方面，研究人员采用了多种手段来确保检测的准确性和可靠性。首先，通过优化纳米材料的合成条件，提高了其稳定性和分散性，从而增强了检测的灵敏度。其次，通过对比实验验证了内滤效应在信号调节中的关键作用，以及PFOS与F-SH之间的特异性相互作用。此外，该方法在不同浓度的PFOS样品中表现出良好的线性响应，表明其具有较高的检测精度。同时，研究人员还对传感器的重复性和抗干扰能力进行了测试，确保其在复杂样品中的适用性。

在应用层面，该纳米传感器不仅能够用于实验室环境下的精确检测，还具备在实际环境中进行快速筛查的能力。例如，在食品加工厂或污水处理厂中，可以利用该传感器对PFOS的残留情况进行实时监测，从而及时发现和控制污染源。此外，该方法还可以用于环境监测，帮助研究人员评估PFOS在水体和土壤中的扩散情况，为环境治理提供科学依据。

总体而言，本文提出的基于内滤效应的上转换荧光纳米传感器为PFOS的检测提供了一种全新的方法。该方法不仅克服了传统检测方法的诸多缺点，还具备较高的灵敏度和选择性，适用于多种实际应用场景。随着纳米材料技术的不断发展，这类传感器有望在未来的环境和食品安全监测中发挥更加重要的作用。