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北京林業(yè)大學許鳳教授團隊 CEJ：多態(tài)圖案加密的超疏水疏冰比色傳感膜構(gòu)建及食品新鮮度監(jiān)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(chǎn)和供應的全球化，食品安全問題在世界范圍內(nèi)引起了廣泛關注。由于變質(zhì)食品中的細菌和霉菌可誘發(fā)過敏反應，增加患癌癥的風險，甚至造成每年數(shù)十萬人死亡。因此，食品新鮮度監(jiān)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(zhàn)，特別是易腐爛的食品，如肉類、魚類和牛奶及其副產(chǎn)品，它們的保質(zhì)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(wèi)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(jiān)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(yè)大學許鳳教授團隊報道了一種具有異質(zhì)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的顏色動態(tài)響應和透明度加密特性相結(jié)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(jiān)測膜的顏色變化來判斷食品新鮮度，更加重要的是，結(jié)合比色標簽的比色特性和透明度變化構(gòu)建了具有多邏輯鎖定的加密系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了食品新鮮度監(jiān)測和防偽雙重功能。這項工作創(chuàng)新性建立了一種巧妙、經(jīng)濟、便捷的食品新鮮度監(jiān)測和防偽雙系統(tǒng)，為開發(fā)食品質(zhì)量智能監(jiān)測體系提供了啟發(fā)，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(fā)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(chuàng)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(zhì)量監(jiān)測中的應用：食品新鮮度監(jiān)測和防偽

  該工作首先開發(fā)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(jié)構(gòu)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(yōu)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(jié)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(jié)過程；（b）40 μL水在PA表面凍結(jié)過程中的溫度變化；（c）40 μL水在PAP-3表面的凍結(jié)過程；（d）40 μL水在PAP-3表面凍結(jié)過程中的溫度變化；（e）PA和PAP-3表面不同體積水滴的凍結(jié)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(jiān)測輸出（A=0 ppm）；（e）3位ASCII字符真值表和監(jiān)測輸出(A= 8 ppm)
 

圖6. （a）利用PAP-3監(jiān)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(tài)（P：有圖案區(qū)域、U：無圖案區(qū)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(jiān)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(jiān)測蝦的新鮮度。此外，通過控制NH3濃度和PDMS噴涂量，實現(xiàn)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(jiān)測和防偽雙功能，為比色標簽和食品安全智能監(jiān)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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