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北京林業大學許鳳教授團隊 CEJ：多態圖案加密的超疏水疏冰比色傳感膜構建及食品新鮮度監測和防偽應用研究

2024-04-05 來源：高分子科技

伴隨著食品生產和供應的全球化，食品安全問題在世界范圍內引起了廣泛關注。由于變質食品中的細菌和霉菌可誘發過敏反應，增加患癌癥的風險，甚至造成每年數十萬人死亡。因此，食品新鮮度監測成為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個重大挑戰，特別是易腐爛的食品，如肉類、魚類和牛奶及其副產品，它們的保質期很短，在供應鏈中流動很快，假冒這些食品可以帶來更多灰色收入，但也破壞了食品衛生體系保護公眾的努力。因此，迫切需要探索有效的食品新鮮度監測和防偽技術，以增強民眾對食品安全的信心。

針對上述問題，北京林業大學許鳳教授團隊報道了一種具有異質網絡結構的顏色動態響應和透明度加密特性相結合的多功能比色傳感膜（PAP-3），該膜的比色位移為126 nm，NH₃的檢測限為0.8 ppm，不僅能通過監測膜的顏色變化來判斷食品新鮮度，更加重要的是，結合比色標簽的比色特性和透明度變化構建了具有多邏輯鎖定的加密系統，成功實現了食品新鮮度監測和防偽雙重功能。這項工作創新性建立了一種巧妙、經濟、便捷的食品新鮮度監測和防偽雙系統，為開發食品質量智能監測體系提供了啟發，對提高食品安全具有重要意義。該工作以“Multiple-state pattern encrypted superhydrophobic-icephobic colorimetric sensing film for anticounterfeiting and food freshness monitoring”為題發表在Chemical Engineering Journal期刊上。博士生董慧琳為文章第一作者，許陽蕾副教授和許鳳教授為共同通訊作者。該工作得到國家自然科學基金委和科技部創新引智基地項目的支持。

圖1. （a）雙模功能比色傳感膜的制備過程（b）比色傳感膜在食品安全和質量監測中的應用：食品新鮮度監測和防偽

該工作首先開發了一種過飽和沉淀制備微納米顆粒的方法，獲得了尺寸合適的蜂蠟-SiO₂復合顆粒。進而，通過聚二甲基硅氧烷（PDMS）黏附單元，將蜂蠟-SiO₂復合顆粒噴涂在浸漬紫草素萘醌染料（AENDs）的濾紙表面，制備出具有層狀結構的PAP-3。其中，僅在濾紙表面噴涂PDMS的樣品為PA。黏附單元的加入增強了濾紙表面的疏水性，提高了復合顆粒在濾紙表面的附著力。該膜具有優異的超疏水性和疏冰性，水接觸角為156.2°，滾動角為8.9°，40 μL水滴的凍結時間從38 s延遲至162 s，冰的黏附強度從249.0 kPa降低至15.2 kPa。

圖2. （a）在PAP-3表面的氫氧化鈉、鹽酸、水、牛奶、茶和咖啡的接觸角和滾動角；（b）PAP-3表面氫氧化鈉、鹽酸、水、牛奶、茶和咖啡溶液液滴的圖像；（c）軋制和刀劃試驗后PAP-3表面的接觸角和滾動角；（d）軋制和刀劃試驗示意圖；（e）軋制和刀劃試驗后PAP-3表面保持超疏水性的機理示意圖

圖3. （a）40 μL水在PA表面的凍結過程；（b）40 μL水在PA表面凍結過程中的溫度變化；（c）40 μL水在PAP-3表面的凍結過程；（d）40 μL水在PAP-3表面凍結過程中的溫度變化；（e）PA和PAP-3表面不同體積水滴的凍結時間；（f）PA和PAP-3表面的冰附著強度；（g）PA和PAP-3表面霜的負載量

圖4. （a）不同pH值下AENDs的溶液和PAP-3圖像；（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：紫甘藍花青素、C：姜黃素、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溶液的紫外可見光譜；（e）不同pH值下AENDs的CIE色度圖；（f）AENDs的檢測限；（g）AENDs對水中不同胺的紫外可見光譜（0.125 wt%）；（h）不同胺液中AENDs的ΔEab^*（0.125 wt%）

圖5. （a）PAP-3加密機制圖；（b）PAP-3的多鎖加密策略；（c）3位ASCII字符邏輯圖（A：NH₃、B：光源、C：圖案）；（d）3位ASCII字符真值表及監測輸出（A=0 ppm）；（e）3位ASCII字符真值表和監測輸出(A= 8 ppm)

圖6. （a）利用PAP-3監測三種不同溫度下儲存的蝦的新鮮度；（b）蝦在不同貯藏期和貯藏溫度的TVBN和TVC值；（c）蝦在20 °C保存3天時圖案化比色標簽狀態（P：有圖案區域、U：無圖案區域）

綜上所述，該工作成功設計了一種具有超疏水疏冰特性的食品新鮮度監測和防偽功能的比色傳感薄膜。該薄膜能靈敏地顯示顏色變化，以監測蝦的新鮮度。此外，通過控制NH₃濃度和PDMS噴涂量，實現復雜的信息存儲和解密，使該比色傳感膜具備食品新鮮度監測和防偽雙功能，為比色標簽和食品安全智能監測提供了新策略。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150379

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（責任編輯：xu）

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