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中药作为中华民族的瑰宝，已有数千年的历史，是我国传统医药的重要组成部分。随着中医药事业的蓬勃发展，世界各国对中药的认可程度逐渐增加，中药已开启国际化进程。与此同时，人们对中药的安全性问题也愈来愈关注。其中，中药中的农药残留影响着中药的疗效和安全性，进而影响了中药贸易以及中医药事业的发展，削弱了中药在国际市场中的竞争力。因此，建立和发展灵敏、简单、快速以及低成本的农药残留检测方法，对于确保中药质量安全，保障人类生命健康，促进中药走向国际化均具有深远而重要的现实意义。
稀土掺杂上转换纳米材料（upconversion nanoparticles，UCNPs）是一种在长波长（通常是近红外光或者红外光）吸收低能光子激发后，发射短波长（紫外光或者可见光）高能光子的无机纳米荧光材料。与传统的荧光（fluorescence，FL）探针相比，UCNPs 具有诸多独特的优点，如良好的光学和化学稳定性，较强的抗光漂白能力和低毒性。此外，由于UCNPs被近红外光激发，因而具有背景荧光干扰较小，灵敏度和信噪比较高等优点。目前，UCNPs 在生物医学领域受到了广泛关注，在生物传感、药物递送、生物成像等方面具有较大的应用潜力。本研究基于 UCNPs独特的光学性能，以及光诱导电子转移（photoinduced electron transfer，PET）、荧光共振能量转移（fluorescence resonance energy transfer，FRET）等原理，设计并合成了两种用于中药中农药残留检测的荧光上转换纳米材料。具体研究内容如下：
1. 基于酪氨酸酶诱导的光诱导电子转移构建荧光分析法检测有机磷农药
本研究采用多巴胺功能化的UCNPs作为FL信号探针，构建酪氨酸酶诱导的PET体系，用于检测中药中的有机磷农药残留。在酪氨酸酶的催化下，UCNPs表面的多巴胺被氧化为多巴醌。基于 PET 效应，UCNPs 表面的多巴醌猝灭 UCNPs的FL。而有机磷农药可抑制酪氨酸酶活性，从而阻碍多巴醌的形成，UCNPs的FL信号得以恢复，因而可以定量检测有机磷农药。本方法以毒死蜱作为模式待检物。研究结果表明，毒死蜱的检测范围为1.0-1000?ng?mL-1，检测限为0.38 ng?mL-1（3σ）。其他种类农药和样品基质对该方法几乎没有干扰，表明该方法具有良好的特异性。用于桔梗和当归的加标样品检测，回收率为95.4%-120.0%。本方法具有成本低廉，灵敏度高，无自发荧光干扰和抗光漂白等优点，在实际应用中具有良好的分析性能。
2. 基于荧光共振能量转移构建免标记荧光分析法检测含氰基农药
本研究以UCNPs为能量供体，金纳米粒子（Au nanoparticles，AuNPs）为能量受体，建立了一种基于FRET的FL分析法，并将其用于检测含氰基农药。将带负电的AuNPs与带正电荷的氨基化UCNPs混合，AuNPs可以通过静电作用吸附到UCNPs的表面上，两者之间发生FRET，UCNPs的FL信号猝灭。加入含氰基农药后，农药的氰基可以通过 Au?N=C 金属-配体配位吸附在 AuNPs 的表面，取代AuNPs表面上的柠檬酸根离子并诱导AuNPs的聚集，从而阻碍FRET，UCNPs的FL信号得以恢复，由此可对含氰基农药进行检测。本方法以啶虫脒、甲氰菊酯和百菌清作为模式待检物。研究结果表明，啶虫脒、甲氰菊酯和百菌清的检测范围分别为0.1-100?ng?mL-1、1.0-100?ng?mL-1和0.1-50?ng?mL-1，检测限分别为0.015 ng?mL-1、0.24ng?mL-1和0.011 ng?mL-1（3σ）。整个检测过程可在6分钟内完成。该方法无需采用任何标记技术，具有操作简单，检测快速，灵敏度高以及成本低等诸多优点，而且可以作为一种通用平台用于含氰基农药的检测。该方法已成功用于党参、白芷和黄芪中啶虫脒的检测，回收率为76.0%-120.0%，具有较大的应用潜力。
综上所述，本论文利用 UCNPs 的反斯托克斯光学特性，设计并合成了两种UCNPs用于中药中农药残留检测。相比于传统的FL探针，UCNPs具有较大的反斯托克斯位移和较强的光稳定性。基于UCNPs构建的FL分析方法无自发荧光干扰，并具有良好的抗光漂白能力。另外，本研究设计的方法结合PET、FRET、酶抑制等策略，具有成本低廉，操作简单，灵敏度高和重现性好等优点，为保障中药质量安全提供了分析技术支持。
稀土掺杂上转换纳米材料（upconversion nanoparticles，UCNPs）是一种在长波长（通常是近红外光或者红外光）吸收低能光子激发后，发射短波长（紫外光或者可见光）高能光子的无机纳米荧光材料。与传统的荧光（fluorescence，FL）探针相比，UCNPs 具有诸多独特的优点，如良好的光学和化学稳定性，较强的抗光漂白能力和低毒性。此外，由于UCNPs被近红外光激发，因而具有背景荧光干扰较小，灵敏度和信噪比较高等优点。目前，UCNPs 在生物医学领域受到了广泛关注，在生物传感、药物递送、生物成像等方面具有较大的应用潜力。本研究基于 UCNPs独特的光学性能，以及光诱导电子转移（photoinduced electron transfer，PET）、荧光共振能量转移（fluorescence resonance energy transfer，FRET）等原理，设计并合成了两种用于中药中农药残留检测的荧光上转换纳米材料。具体研究内容如下：
1. 基于酪氨酸酶诱导的光诱导电子转移构建荧光分析法检测有机磷农药
本研究采用多巴胺功能化的UCNPs作为FL信号探针，构建酪氨酸酶诱导的PET体系，用于检测中药中的有机磷农药残留。在酪氨酸酶的催化下，UCNPs表面的多巴胺被氧化为多巴醌。基于 PET 效应，UCNPs 表面的多巴醌猝灭 UCNPs的FL。而有机磷农药可抑制酪氨酸酶活性，从而阻碍多巴醌的形成，UCNPs的FL信号得以恢复，因而可以定量检测有机磷农药。本方法以毒死蜱作为模式待检物。研究结果表明，毒死蜱的检测范围为1.0-1000?ng?mL-1，检测限为0.38 ng?mL-1（3σ）。其他种类农药和样品基质对该方法几乎没有干扰，表明该方法具有良好的特异性。用于桔梗和当归的加标样品检测，回收率为95.4%-120.0%。本方法具有成本低廉，灵敏度高，无自发荧光干扰和抗光漂白等优点，在实际应用中具有良好的分析性能。
2. 基于荧光共振能量转移构建免标记荧光分析法检测含氰基农药
本研究以UCNPs为能量供体，金纳米粒子（Au nanoparticles，AuNPs）为能量受体，建立了一种基于FRET的FL分析法，并将其用于检测含氰基农药。将带负电的AuNPs与带正电荷的氨基化UCNPs混合，AuNPs可以通过静电作用吸附到UCNPs的表面上，两者之间发生FRET，UCNPs的FL信号猝灭。加入含氰基农药后，农药的氰基可以通过 Au?N=C 金属-配体配位吸附在 AuNPs 的表面，取代AuNPs表面上的柠檬酸根离子并诱导AuNPs的聚集，从而阻碍FRET，UCNPs的FL信号得以恢复，由此可对含氰基农药进行检测。本方法以啶虫脒、甲氰菊酯和百菌清作为模式待检物。研究结果表明，啶虫脒、甲氰菊酯和百菌清的检测范围分别为0.1-100?ng?mL-1、1.0-100?ng?mL-1和0.1-50?ng?mL-1，检测限分别为0.015 ng?mL-1、0.24ng?mL-1和0.011 ng?mL-1（3σ）。整个检测过程可在6分钟内完成。该方法无需采用任何标记技术，具有操作简单，检测快速，灵敏度高以及成本低等诸多优点，而且可以作为一种通用平台用于含氰基农药的检测。该方法已成功用于党参、白芷和黄芪中啶虫脒的检测，回收率为76.0%-120.0%，具有较大的应用潜力。
综上所述，本论文利用 UCNPs 的反斯托克斯光学特性，设计并合成了两种UCNPs用于中药中农药残留检测。相比于传统的FL探针，UCNPs具有较大的反斯托克斯位移和较强的光稳定性。基于UCNPs构建的FL分析方法无自发荧光干扰，并具有良好的抗光漂白能力。另外，本研究设计的方法结合PET、FRET、酶抑制等策略，具有成本低廉，操作简单，灵敏度高和重现性好等优点，为保障中药质量安全提供了分析技术支持。