陕科大罗晓民/刘新华/姜慧娥等《Food Chem.》：基于可按需调控的AIE自组装体的纸基荧光材料用于海鲜腐败可视化实时监测

2023-08-06 来源：高分子科技

近日，陕西科技大学罗晓民、刘新华、姜慧娥等报道了一种可持续、快速响应、高灵敏度、用户友好和分子级水平发光的生物质基材料（AFP-FP），其中包含形貌可按需定制聚集诱导发光(AIE)自组装体，结合智能手机颜色识别软件对R、G、B值进行分析，成功实现了海鲜腐败程度的实时可视化监测。相关研究成果发表于国际著名期刊Food Chemistry。

图1 探针的合成步骤及其AIE性质

海鲜存放时间过长，会因腐败变质而失去食用价值，在此过程中，酶作用和微生物活动过程会分解蛋白质、脂肪、糖和营养物质，产生有毒和难闻的生物胺。在这些物质中，氨气（NH₃）具有最显着的气味释放强度。NH₃通常被视为监测海鲜新鲜度的信号。因此，NH₃的定量实时检测对于食品腐败的实时监测始终是必不可少的。然而，传统的检测策略难以克服操作费时费力、成本高、无法实时监测和可视化等缺陷。为此，该团队提出了制备简单、可重复使用、成本低和灵敏度高的生物质基荧光传感器，用于NH₃的定量检测和海鲜腐败程度的实时监测。考虑到气体传感材料的灵敏度很大程度上取决于其结构设计和载体的响应特性，文中选择了对NH₃高度敏感的AIE聚集体为载体并对材料进行了结构设计。
具体思路如下：受脑细胞对NH₃的生理作用过程的启发，通过简单的"一步法"路线合成了可按需调控的AIE自组装体（AFP）（图1）。只需通过改变溶剂环境，就可以实现AFP自组装体微观形貌按需调控。重要的是，通过分子动力学模拟验证了自组装过程，并结合理论计算对AIE机理进行了解释（图2）。

图2 探针AFP的聚集过程模拟和AIE机理示意

考虑到AFP在聚集状态下的高效率发光，作者以滤纸为固相载体，通过浸渍法制备了纸基荧光传感器AFP-FP，其中，选择含有10%水的DMF溶液为浸渍液，以实现合适的微观形貌有利于气体传感，同时保持高的荧光强度，以获得最佳的传感性能。为了制备AFP - FP，将滤纸浸泡在含有1 mM AFP的DMF - H₂O ( 9 : 1 , v / v)混合溶液中，形成的AFP聚集体交联在滤纸上形成"类神经元"传感结构。此外，通过扫描电子显微镜、超景深三维显微镜、Raman光谱和FT-IR光谱对其微观形貌和表面化学结构进行了表征（图3）。

图3 纸基荧光传感器AFP-FP的制备和表征

AFP-FP在日光下呈现的颜色接近白色，被其他气体熏蒸后，AFP-FP的颜色几乎无变化，而仅被NH₃熏蒸后，颜色由白色转变为黄色，这表明AFP-FP对NH₃的识别具有选择性。重要的是，AFP-FP对于NH₃的选择性识别可由裸眼分辨。将AFP - FP置于NH₃环境中，AFP - FP的在1 s内由白色转变为黄色，并在5 s内达到最深颜色。由荧光光谱图可知，AFP - FP表现出微弱的荧光，当用浓度为2 ppm的NH₃熏蒸时，AFP - FP的荧光强度显著增强，证明了AFP-FP的高灵敏度。随着NH₃浓度的增加（2~100 ppm），荧光强度逐渐增强，此外，AFP-FP在525 nm处的荧光强度与NH₃浓度之间存在良好的线性关系（y=7.292×10³x+7.621×10⁴，R = 0.990），检测限计算为246 ppb。在自然光下，将AFP - FP置于不同NH₃浓度的环境中，随着NH₃浓度从0增加到20 ppm，裸眼可观测到AFP-FP的颜色从白色逐渐变为黄色。紫外光下，裸眼亦可观测到荧光颜色由黄色逐渐转变为亮绿色。通过RGB值分析发现，自然光（y=0.6x+10.6，R=0.986，2~8 ppm）和紫外光（y=6x+177.6，R=0.986，2~8 ppm）下，AFP-FP的B值与NH₃浓度均有较强的相关性，表明AFP - FP为NH₃检测提供了一种简单、低成本的方法。另外，AFP-FP在识别NH₃的过程中具有良好的抗干扰能力。

在实际的家庭生活中，对海鲜腐败程度的评价主要通过感官判断，因其主观性强且依赖专业技术人员的判断而具有局限性。本研究将便携式、低成本、安全无污染的AFP-FP与智能手机集成，实现便捷的海产品新鲜度可视化监测。与鱼肉共同放置的AFP-FP的B值与放置时间之间存在良好的线性关系（y=-0.586x+193.571，R²=0.980）（图4）。因此AFP-FP可以作为海产品新鲜度的评价指标，为个体和家庭监测海鲜腐败程度提供了更加简便友好的策略。

图4 NH₃传感和海鲜新鲜度监测

相关成果以“Paper-based fluorescent materials containing on-demand nanostructured brain-cells-inspired AIE self-assembles for real-time visual monitoring of seafood spoilage”为题发表在Food Chemistry（Food Chemistry, 2023, 137083, DOI: 10.1016/j.foodchem.2023.137083）上。陕西科技大学博士研究生陈立娟为本论文的第一作者，通讯作者为陕西科技大学轻工科学与工程学院的罗晓民教授、刘新华副教授和姜慧娥副教授。感谢国家自然科学基金、中国博士后科学基金和陕西省高校科学技术协会青年人才支持计划项目对本工作的大力支持！

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0308814623017016?via%3Dihub

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（责任编辑：xu）

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