北京林业大学许凤教授团队 CEJ：多态图案加密的超疏水疏冰比色传感膜构建及食品新鲜度监测和防伪应用研究

2024-04-05 来源：高分子科技

伴随着食品生产和供应的全球化，食品安全问题在世界范围内引起了广泛关注。由于变质食品中的细菌和霉菌可诱发过敏反应，增加患癌症的风险，甚至造成每年数十万人死亡。因此，食品新鲜度监测成为保障食品安全的重要手段。此外，假冒食品是食品安全的另一个重大挑战，特别是易腐烂的食品，如肉类、鱼类和牛奶及其副产品，它们的保质期很短，在供应链中流动很快，假冒这些食品可以带来更多灰色收入，但也破坏了食品卫生体系保护公众的努力。因此，迫切需要探索有效的食品新鲜度监测和防伪技术，以增强民众对食品安全的信心。

针对上述问题，北京林业大学许凤教授团队报道了一种具有异质网络结构的颜色动态响应和透明度加密特性相结合的多功能比色传感膜（PAP-3），该膜的比色位移为126 nm，NH₃的检测限为0.8 ppm，不仅能通过监测膜的颜色变化来判断食品新鲜度，更加重要的是，结合比色标签的比色特性和透明度变化构建了具有多逻辑锁定的加密系统，成功实现了食品新鲜度监测和防伪双重功能。这项工作创新性建立了一种巧妙、经济、便捷的食品新鲜度监测和防伪双系统，为开发食品质量智能监测体系提供了启发，对提高食品安全具有重要意义。该工作以“Multiple-state pattern encrypted superhydrophobic-icephobic colorimetric sensing film for anticounterfeiting and food freshness monitoring”为题发表在Chemical Engineering Journal期刊上。博士生董慧琳为文章第一作者，许阳蕾副教授和许凤教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金委和科技部创新引智基地项目的支持。

图1. （a）双模功能比色传感膜的制备过程（b）比色传感膜在食品安全和质量监测中的应用：食品新鲜度监测和防伪

该工作首先开发了一种过饱和沉淀制备微纳米颗粒的方法，获得了尺寸合适的蜂蜡-SiO₂复合颗粒。进而，通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）黏附单元，将蜂蜡-SiO₂复合颗粒喷涂在浸渍紫草素萘醌染料（AENDs）的滤纸表面，制备出具有层状结构的PAP-3。其中，仅在滤纸表面喷涂PDMS的样品为PA。黏附单元的加入增强了滤纸表面的疏水性，提高了复合颗粒在滤纸表面的附着力。该膜具有优异的超疏水性和疏冰性，水接触角为156.2°，滚动角为8.9°，40 μL水滴的冻结时间从38 s延迟至162 s，冰的黏附强度从249.0 kPa降低至15.2 kPa。

图2. （a）在PAP-3表面的氢氧化钠、盐酸、水、牛奶、茶和咖啡的接触角和滚动角；（b）PAP-3表面氢氧化钠、盐酸、水、牛奶、茶和咖啡溶液液滴的图像；（c）轧制和刀划试验后PAP-3表面的接触角和滚动角；（d）轧制和刀划试验示意图；（e）轧制和刀划试验后PAP-3表面保持超疏水性的机理示意图

图3. （a）40 μL水在PA表面的冻结过程；（b）40 μL水在PA表面冻结过程中的温度变化；（c）40 μL水在PAP-3表面的冻结过程；（d）40 μL水在PAP-3表面冻结过程中的温度变化；（e）PA和PAP-3表面不同体积水滴的冻结时间；（f）PA和PAP-3表面的冰附着强度；（g）PA和PAP-3表面霜的负载量

图4. （a）不同pH值下AENDs的溶液和PAP-3图像；（b）不同pH值下AENDs的溶液和PAP-3的ΔEab^?；（c）不同天然染料（PSPa：紫甘薯花青素、RCa：紫甘蓝花青素、C：姜黄素、B：甜菜素、LRM：枸杞花青素、RRa：玫瑰花青素）比色膜的ΔEab^?；（d）不同pH值下AENDs溶液的紫外可见光谱；（e）不同pH值下AENDs的CIE色度图；（f）AENDs的检测限；（g）AENDs对水中不同胺的紫外可见光谱（0.125 wt%）；（h）不同胺液中AENDs的ΔEab^*（0.125 wt%）

图5. （a）PAP-3加密机制图；（b）PAP-3的多锁加密策略；（c）3位ASCII字符逻辑图（A：NH₃、B：光源、C：图案）；（d）3位ASCII字符真值表及监测输出（A=0 ppm）；（e）3位ASCII字符真值表和监测输出(A= 8 ppm)

图6. （a）利用PAP-3监测三种不同温度下储存的虾的新鲜度；（b）虾在不同贮藏期和贮藏温度的TVBN和TVC值；（c）虾在20 °C保存3天时图案化比色标签状态（P：有图案区域、U：无图案区域）

综上所述，该工作成功设计了一种具有超疏水疏冰特性的食品新鲜度监测和防伪功能的比色传感薄膜。该薄膜能灵敏地显示颜色变化，以监测虾的新鲜度。此外，通过控制NH₃浓度和PDMS喷涂量，实现复杂的信息存储和解密，使该比色传感膜具备食品新鲜度监测和防伪双功能，为比色标签和食品安全智能监测提供了新策略。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150379

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（责任编辑：xu）

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