大家有沒有想過，能否利用光來“探測”身體里的問題？其實，現(xiàn)代科學(xué)已經(jīng)實現(xiàn)了這一設(shè)想，通過“上轉(zhuǎn)換發(fā)光”技術(shù)，結(jié)合特殊的材料，科學(xué)家可以用光信號來檢測體內(nèi)物質(zhì)，甚至實現(xiàn)疾病的早期診斷。

近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所的蔣長龍、楊亮研究員團(tuán)隊，在可視化熒光檢測領(lǐng)域取得重大突破。研究人員通過向材料“添加一點鋅”，使這些“會發(fā)光”的材料變得更靈敏、更智能，從而能夠更精確地檢測血液中的膽紅素水平。

這項研究就像為醫(yī)生們提供了一件新的“診斷利器”，為黃疸的早期診斷帶來新希望。相關(guān)研究成果已發(fā)表于國際知名期刊《分析化學(xué)》。

黃疸：隱藏的健康威脅

黃疸，尤其是新生兒黃疸，是一個不容忽視的健康問題。它像隱藏在新生兒身邊的“小惡魔”，影響著約60%的新生兒，甚至成為新生兒早期死亡的主要原因之一。膽紅素是血清素分解代謝后形成的“小廢物”。在健康人的血液里，游離膽紅素的水平通常乖乖地維持在在1.7μM至10.2μM之間。但如果患上黃疸，膽紅素水平會像脫韁的野馬一樣異常升高。然而，當(dāng)濃度低于32μM時，患兒可能不會表現(xiàn)出典型的黃疸癥狀。這就如敵人潛伏在暗處，而我們卻難以察覺。因此，快速、準(zhǔn)確地檢測血清中的膽紅素濃度至關(guān)重要。

圖片來源：veer圖庫

上轉(zhuǎn)換發(fā)光：光的“逆向魔法”

通常情況下，我們看到的燈光或激光，是通過吸收特定波長的光后，釋放出相同或更低能量的光。但是上轉(zhuǎn)換發(fā)光卻截然不同，它能吸收低能量的光，釋放出更高能量的光，就像一種“逆向魔法”。上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNPs）猶如一群“特工”，其獨特之處在于能夠消除背景熒光的干擾，因此在檢測復(fù)雜生物樣品中的小分子時具有顯著優(yōu)勢。然而，這些“特工”也有短板：UCNP固有的低發(fā)光強度和量子產(chǎn)率，限制了上轉(zhuǎn)換發(fā)射強度，使其在生物檢測領(lǐng)域的應(yīng)用受到制約。因此，想要靈敏檢測出游離膽紅素，研發(fā)出具有高發(fā)射強度的UCNP熒光探針就成了關(guān)鍵。

圖片來源：中國科學(xué)院固體物理研究所

鋅離子“魔法”：調(diào)控晶格，點亮熒光

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，向UCNPs中摻雜鋅離子，就像在材料內(nèi)部安裝了“能量加速器”。鋅離子的加入，讓納米顆粒的晶格結(jié)構(gòu)從六方相轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较啵愃朴诟淖兎e木的排列方式），縮短了稀土離子間的距離，能量傳遞效率大幅提升，發(fā)光強度提升了22倍！這種“晶格調(diào)控”不僅顯著提高了熒光強度，還保持了顏色穩(wěn)定性，為高靈敏度檢測奠定了基礎(chǔ)。

上轉(zhuǎn)換納米粒子的晶格轉(zhuǎn)變及發(fā)光增強

（圖片來源：分析化學(xué)Anal. Chem. 2025, 97, 6, 3515–3524）

雙模式傳感器：顏色與熒光雙保險

研究團(tuán)隊將鋅摻雜的UCNPs與磺基水楊酸（SSA）、鐵離子結(jié)合，設(shè)計出一種高效的上轉(zhuǎn)換納米探針，并構(gòu)建了一個可用980 nm近紅外激發(fā)的上轉(zhuǎn)換視覺傳感平臺。這個平臺如同一位“超級偵察兵”，在膽紅素出現(xiàn)時，它能通過熒光和比色梯度的變化，精準(zhǔn)鎖定膽紅素。

這種“雙保險”設(shè)計使檢測更加可靠，熒光模式的靈敏度達(dá)到21.4納摩爾，比傳統(tǒng)方法快數(shù)倍，且不受血液中其他成分干擾。

傳感器的熒光及比色工作原理

（圖片來源：分析化學(xué)Anal. Chem. 2025, 97, 6, 3515–3524）

熒光傳感器可以靈敏地通過顏色顯示膽紅素的濃度

（圖片來源：分析化學(xué)Anal. Chem. 2025, 97, 6, 3515–3524）

手機變身檢測儀？便攜式診斷新方案

更令人驚嘆的是，團(tuán)隊開發(fā)了一款基于3D打印技術(shù)的便攜檢測平臺，只需搭配智能手機即可完成分析。操作非常簡單：將血清樣本滴入檢測盒，用手機拍攝顏色或熒光變化，通過APP分析RGB值即可獲取膽紅素濃度。臨床測試表明，該技術(shù)對健康人血清和黃疸患兒血清的檢測結(jié)果，與醫(yī)院標(biāo)準(zhǔn)方法的檢測結(jié)果高度一致，且操作便捷，適合醫(yī)療資源有限的地區(qū)使用。

（圖片來源：分析化學(xué)Anal. Chem. 2025, 97, 6, 3515–3524）

這項突破性研究，不僅為黃疸的早期診斷提供了新工具，更展現(xiàn)了科技在醫(yī)療領(lǐng)域的巨大潛力——讓精準(zhǔn)醫(yī)療變得更快速、更智能、更普惠。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化和推廣，這項成果或?qū)⒊蔀槭刈o(hù)新生兒健康的重要防線，也為其他疾病的檢測開辟了新思路。科學(xué)的光芒，正照亮更多生命的希望。

參考文獻(xiàn)：

Zhang L, Kang X, Yang F, et al. Zinc Doping-Induced Lattice Growth Regulation for Enhanced Upconversion Emission in Serum Bilirubin Detection[J]. Analytical Chemistry, 2025.

出品：科普中國

作者：張嵐鵬 楊亮（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所

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