产业科技创新 Industrial Technology Innovation 46Vol.2 No.31
网络聚会*
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李 磊，马超，陈国庆
来电显示电话机（江南大学，江苏 无锡 214122）
摘要：时间分辨荧光光谱因其稳定、准确的测量效果，在食品检测领域得到了广泛的应用。文章对时间分辨荧光的机理做了阐述，并介绍了实现时间分辨荧光光谱测量的技术手段，最后对光谱在食品检测领域中的应用做了归纳，以便更好的推广和运用该技术。
关键词：时间分辨荧光；食品检测；发光机理；技术手段
中图分类号：O657.3；TS207.3 文献标识码：A 文章编号：2096-6164（2020）31-0046-02
荧光检测技术因具有高效率、高精度、高灵敏度等优点，在食品检测领域中应用广泛。稳态荧光检测技术主要是记录样品在不同波长下的发光强度，可实现对待测物的辨识和对浓度的精确测量。然而，荧光强度容易受到测量环境和分子自身特性的影响，例如激发光功率发生抖动就会带来荧光强度的变化；而有些分子也容易出现光漂白现象，当受到激发光持续照射时，待测样品会出现不发光的情况，这也会影响到测量的准确性。此外，常温下分子荧光光谱存在展宽现象，不同物质的光谱可能重叠在一起，从而影响到对待测物的辨识。因此，对传统荧光技术的改进或者引入新的荧光检测方法是食品检测领域的研究热门之一。
近年来时间分辨荧光技术得到了快速发展，在食品检测领域中的应用也逐渐增多。稳态荧光光谱的强度是将整个激发周期内每个时刻的荧光强度进行叠加而成，这使得荧光发射的时间特性缺失。而时间分辨荧光光谱则是记录各波长下荧光强度随时间的分布，可以更多的反映分子激发态的信息。相比于稳态荧光光谱，时间分辨荧光光谱具有更大的信息量，即使是发射位置高度重叠的分子，其激发态的电子弛豫过程也会存在差异，这样产生的时间分辨荧光光谱也不同，进而更有利于检测研究。
在文章中我们将讲述时间分辨荧光的原理和技术实现手段，并介绍近年来时间分辨荧光技术在食品检测中的应用。
1 时间分辨荧光的原理与检测技术
处于基态的分子受到激发后会到达激发态，再从
激发态经历一系列的过程回到基态。我们以简单的二能级系统为例，来阐述激发态跃迁的时间特性。如图1所示，处于分子基态S 0的电子受到激发后跃迁到激发态S 1，然后再以辐射跃迁(k r )和非辐射跃迁(k nr )的形式回到基态，其中辐射跃迁会发出荧光。
图1 二能级的激发与发射
网络隔离
处于激发态的电子向基态跃迁时，电子数n 关于时间的变化率和电子数n 是成正比的，由此可写出微分方程式（1），其中负号表示激发态电子数是减少的。
（1）
求解微分方程可得到
（2）
这说明激发态的电子数随时间呈现出e 指数的衰减。荧光强度随时间的变化规律应该和电子衰减规律一致，所以也满足e 指数衰减。对于更复杂的分子能级结构，其荧光强度随时间衰减过程往往需要采用多个e 指数来描述。
目前测量时间分辨荧光光谱的方法很多，其中最常用的就是基于时间相关单光子计数（TCSPC ）技术的测量方法。如图所示2，高重复频率的脉冲光源在发出光的同时给单光子计数器一个开始计时的信号；光
*基金项目：国家自然科学青年基金（22004050）。
作者简介：李磊（1989- ），男，江苏仪征人，博士，讲师，主要从事时间分辨荧光检测技术方面研究。
产业科技创新 2020，2（31）：46~47Industrial Technology Innovation
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第2卷 第31期
打在样品上发出荧光，被单光子探测器接收到；单光子探测器同时向计数器发出停止计时的信号；计数器根据开始和结束的时间差将收集到的光子放入对应的时间通道内。通过反复激发样品，TCSPC 系统就能够将样品的时间分辨荧光光谱采集到。为了保证光谱测量的准确性，通常要求每个激发脉冲周期内检测到的光子数不能超过1
个。
图2 TCSPC 技术的原理图
2 时间分辨荧光在食品检测中的应用
时间分辨荧光光谱因其准确、稳定的测量效果，在食品检测中的应用十分广泛。食品中成分复杂，食品中营养物质的检测对评估食品品质有着非常重要的作用。Wen Yongping 等人利用时间分辨荧光光谱对生牛乳中的钙含量进行了检测。作者先借助偶氮胂Ⅲ与钙作用形成发光物质，再采用时间分辨光谱测得钙含量，检测结果与国标中规定的原子吸收法相比偏差不超过6.61%。食品在加工的过程中，加工工艺也可能会对食品的营养物质产生影响。 Francesca Bot 等人利用时间分辨荧光监测番茄在超声萃取时，类萝卜素含量的变化。文章中通过测量时间分辨发射光谱（TRES ）和构建衰减相关光谱（DAS ）等手段区分了番茄红素与其他荧光物质，并发现超声在萃取过程中对番茄红素几乎没有影响。
除了对食品成分的检测外，食品安全检测也是人们非常关心的问题。Yunkang Huang 等人借助纳米发光材料和时间分辨荧光技术，实现了对三种金黄葡萄糖球菌肠毒素的检测，且检测限均低于1 ng ·mL -1。Guanghua Li 等人利用掺杂金属铕的纳米颗粒制成了适用于时间分辨荧光检测的试纸，实现了对花生饮料、核桃饮料和椰子饮料中三聚氰胺的检测，检测限分别为0.89 ng ·mL -1，0.94 ng ·mL -1和1.05 ng ·mL -1。
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此外，有些不法商贩为了获取更大的利益，在市面上投放以次充好、以假乱真的商品。因此，对食品类别的区分也是非常有必要的。Mariana P. Brandao
等人利用时间分辨荧光技术实现了对牛奶粉和羊奶粉的区分。研究发现，在315 nm 激发，468 nm 探测时，牛奶粉存在三个荧光寿命，分别是1.7±0.3 ns，6.9±0.2 ns 和29.9±1.6 ns，而羊奶粉则是1.5±0.3 ns，6.4±0.4 ns 和18.7±2.5 ns，两者存在一定的差异。结合算法后，作者对两种奶粉识别的准确度达到了100%。
防辐射屏3 结语
文章首先阐述了时间分辨荧光光谱的原理和技术实现手段，并介绍了时间分辨光谱在食品检测中的应用。相比于稳态荧光强度测量，时间分辨荧光的测量耗时较长，设备更贵，这也制约了此技术的应用。不过，随着电子科学技术和相关产业的发展，在未来，时间分辨荧光测量的效率在提升的同时，设备制造的成本也必然会下降，这将极大地促进时间分辨荧光技术在
食品检测领域中的应用。参考文献：
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李 磊等：时间分辨荧光技术简介与在食品检测中的应用
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