この手袋をはめて触ると亜硝酸塩の含有量が基準を超えているかどうか肉眼でわかるんですか？

制作：中国科学普及協会

著者: 楊 良、李 玲飛 (中国科学院合肥物理科学研究所固体物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

亜硝酸塩については皆さんもよくご存知だと思います。自然界に遍在する窒素含有無機化合物として、窒素循環において重要な役割を果たします。保存期間を延ばすための食品添加物として使用できますが、過剰摂取は中毒を引き起こしたり、発がん性物質に変わることもあります。同時に、亜硝酸塩は血管機能の調節、免疫力や抗菌力の強化など、体内で微妙な役割も果たしています。その研究は食品の安全性だけでなく、生命科学の深いメカニズムにも及びます。

亜硝酸塩の存在をより正確に検出するために、私たちの研究チーム（中国科学院合肥物理科学研究所固体物理研究所エネルギー材料およびデバイス製造研究部の江長龍と楊良の研究チーム）は最近、亜硝酸塩の迅速な蛍光可視化検出のための新しい方法の設計と技術の準備に成功し、亜硝酸塩のリアルタイム同期可視化検出において新たな進歩を遂げました。関連する研究は「Hazardous Materials」誌に掲載されました。

有害物質を検出する新しい方法を研究する理由は何ですか?

実際、近年、検査官は電気化学、比色分析、紫外可視吸収、化学発光、キャピラリー電気泳動、分光光度法、クロマトグラフィーなどの従来の技術を使用して、環境中の危険を特定できるようになりました。しかし、これらの方法は、検出手順が煩雑であったり、機器が高価であったり、視覚的な半定量機能が貧弱であったり、時間がかかるといった問題を抱えていることが多く、これらが総合的に実用化を妨げています。

私たちが開発した蛍光可視化検出技術は、シンプルさ、迅速さ、高感度、可視化の容易さなどの利点があり、環境ハザードの分析に最適な候補です。

例えば、私たちが開発した新しい材料と方法を、センサーデバイス（手袋など）と組み合わせると、肉眼で触れるだけで食品中の亜硝酸塩含有量が基準を超えているかどうかを判断できるようになります。

AG.亜硝酸塩検出用手袋センサーと組み合わせたレシオメトリック蛍光材料の概略図

（画像出典：著者記事）

交流。携帯電話のセンシング プラットフォームで亜硝酸塩を検出するために手袋センサーと組み合わせた比率測定蛍光材料のデモンストレーション (亜硝酸塩含有量の定量的検出)

（画像出典：著者記事）

蛍光可視化迅速検出技術とは？なぜ蛍光を使用するのですか?

蛍光は、室温の物質が特定の波長の入射光（通常は紫外線またはX線）からエネルギーを吸収し、励起状態に入り、吸収した光よりも低いエネルギーでより長い波長の光（通常は可視光帯域）をより短時間で放出するときに発生する物理現象です。このタイプの発光は蛍光と呼ばれます。蛍光は通常、発光波長が長く、色が異なります。励起が停止した後も一定期間は光を発し続けますが、その強度は徐々に弱まり、最終的には消えてしまいます。

蛍光検出のメカニズムは、特定の分子が光エネルギーを吸収した後に励起状態（化学反応活性の増加）に遷移し、その後、光放射の形でエネルギーを放出して基底状態（エネルギーが最も低く、最も安定）に戻る、つまり蛍光を放出するプロセスに基づいています。このプロセスは分子構造に依存するだけでなく、環境要因の影響も受けます。

グロースティック

（写真提供：veerフォトギャラリー）

風船を使用して、蛍光検出のメカニズムをシミュレートして実証することができます。まず最初に風船を膨らませます。これは、特定の分子が光エネルギーを吸収した後に励起状態に移行することに対応します。次に風船を破裂させます。これはエネルギーを放出して基底状態に戻るプロセスです。蛍光の発生もこの過程に似ています。

この蛍光特性を検出にどのように利用するのでしょうか?

蛍光可視化迅速検出技術という革新的な検出方法を提案しました。まず紫外線を使用して蛍光体を励起し、次に蛍光の発生、消光、または強度の変化を肉眼で観察して、検査対象物を迅速かつ視覚的に検出します。この技術には、低コスト、簡単な操作、持ち運びのしやすさ、高感度など、大きな利点があります。

食品分析の分野では、蛍光可視化迅速検出技術が、重金属イオン、農薬残留物、添加物など、食品中の有害物質の検出に広く使用されています。この技術は、蛍光センサーと検査対象物との相互作用を通じて発光物質の蛍光信号を変化させ、対象の定性・定量的な検出を迅速に実現します。

農薬散布

（写真提供：veerフォトギャラリー）

単色蛍光から比率蛍光まで、蛍光材料は徐々に改良されてきた。

蛍光現象をより有効に応用するために、科学者は蛍光材料の利点を最大限に活用する必要があります。そのため、さまざまな環境に適した多様な蛍光材料を開発することが非常に重要です。 2 つの主要な蛍光検出方法として、レシオメトリック蛍光と単色蛍光はさまざまな面で異なり、分析の感度、選択性、信頼性の向上に大きな影響を与えます。

単色蛍光は、単一波長での蛍光強度の測定に重点を置いています。この方法はシンプルで簡単で、蛍光分析において最も基本的かつ広く使用されている手段の 1 つです。ただし、単色蛍光検出は、光源の安定性、検出器の感度、サンプルマトリックス効果などの外部干渉の影響を受けやすく、結果に大きな影響を与える可能性があります。

高度な蛍光検出戦略としての比率蛍光技術は、2 つ以上の波長での蛍光信号の変化を同時に監視し、これらの信号間の比率を計算することに重点を置いています。この方法の利点は、励起光強度の変動、サンプル濃度の不均一性、光学系の効率の変化などの外部要因によって生じる誤差を部分的に相殺できる、固有の自己較正特性です。

比率蛍光法では、絶対的な強度ではなく、異なる波長での蛍光強度の相対的な変化を比較することで、測定の安定性と精度が大幅に向上します。さらに、蛍光プローブがさまざまな分析対象物や環境の変化に反応するように適切に設計されている場合、比率蛍光は豊富な分子情報を提供し、検出の選択性と感度を高めることもできます。

しかし、多くの利点を持つ比率蛍光には、材料に対する要件も非常に高くなります。比率蛍光材料の研究には、材料の構造設計、調製プロセス、および適用要件を総合的に考慮する必要があり、複雑で困難な科学的研究課題です。

私たちの研究では、新しいタイプのデュアル発光レシオメトリック蛍光材料を開発しました。

二重発光比蛍光材料を用いた亜硝酸塩検出のメカニズム

（画像出典：著者記事）

この素材は亜硝酸塩にさらされると肉眼で確認できる光学的な色の変化を起こし、光退色に対する優れた耐性を備えています。これらの特性により、実生活で大きな応用可能性が生まれます。たとえば、この材料をセンシングデバイス（手袋など）と組み合わせると、独自の二重発光比蛍光特性により亜硝酸塩が基準を超えていないかどうかを確認できます。

亜硝酸塩検出におけるこの新素材の性能は、食品や環境中の有害物質の検出に革新的なソリューションを提供するだけでなく、新たな研究の方向性も開拓します。今後もさらに研究を深め、用途を拡大し、この新素材がさらに重要な役割を果たすことを期待しています。