基于激光诱导铝纳米结构的纸基荧光传感平台用于食品中邻二酚类肉桂酸的选择性检测

《Food Chemistry》：Paper-based sensing of cinnamic ortho-diphenols in food samples using photoluminescent laser-induced aluminum nanostructures

本研究针对食品复杂基质中邻二酚类肉桂酸（o-PCs）快速检测难题，开发了一种CO2激光诱导铝纳米结构（L-Al）的纸基荧光传感平台（L-Al3xP）。通过螯合增强荧光（CHEF）机制实现o-PCs类选择性检测，线性范围2.5-50μM（R2≥0.990），检测限≤3.0μM。在15种食品样本验证中与HPLC-MS/MS高度相关（r=0.993），为食品抗氧化剂现场检测提供了新型便携式解决方案。

　　

在食品安全与质量监测领域，快速、精准地检测食品中的活性成分一直是科研人员面临的重大挑战。特别是具有强抗氧化活性的邻二酚类肉桂酸（ortho-diphenolic cinnamic compounds, o-PCs），如咖啡酸、迷迭香酸和绿原酸等，它们不仅影响食品的风味和稳定性，更因其抗炎、神经保护和预防心血管疾病的健康效应而备受关注。然而，当前市场上缺乏能够对这类化合物进行类选择性快速检测的技术手段，多数方法只能评估总抗氧化活性，无法区分具体的酚类物质。传统的实验室检测方法如高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS/MS）虽然准确，但设备昂贵、操作复杂、耗时较长，难以满足现场快速检测的需求。

针对这一技术瓶颈，来自意大利泰拉莫大学的研究团队在《Food Chemistry》上发表了一项创新性研究，他们巧妙利用CO₂激光绘图技术，在纸基材上原位合成了具有光致发光特性的铝纳米结构（Laser-induced Aluminum nanostructures, L-Al），并据此构建了一种新型纸基荧光传感平台（L-Al_3xP）。该平台采用类似ELISA板的微孔阵列设计，结合智能手机读值系统，实现了对食品中o-PCs的高选择性、快速定量检测。

研究团队主要采用了三项关键技术方法：首先利用CO₂激光绘图仪进行纸基材的图案化雕刻和铝纳米结构的原位合成；其次通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）对纳米结构的形貌和元素组成进行表征；最后结合智能手机光学采集系统和ImageJ软件构建荧光信号分析体系。实验样本涵盖15种市售食品（包括草药、果汁等），并通过HPLC-MS/MS进行方法学验证。

3.1. 激光诱导铝纳米结构（L-Al）的表征与光学特性

研究人员通过CO₂激光处理负载铝前驱体的色谱纸，成功制备出具有明显黄金色泽的L-Al斑点。在365 nm紫外线照射下，这些斑点显示出强烈的青蓝色光致发光现象，而未经铝修饰的激光处理纸基（L-CHR）仅呈现微弱蓝光。光谱分析表明L-Al在410 nm激发波长下具有490 nm的发射峰，其荧光强度显著高于L-CHR。SEM显示L-Al表面形成平均尺寸为48±30 nm的铝纳米簇，EDX元素 mapping证实铝元素在纸纤维表面均匀分布。

3.2. L-Al传感斑点的优化

通过系统优化铝前驱体浓度（10 mM）、激光功率（2.4 W）和扫描速度（1.2 m/s）等参数，研究发现L-Al与o-PCs结合后会产生浓度依赖性的荧光增强效应。这种"螯合增强荧光"（CHEF）现象源于o-PCs的邻二酚结构与铝纳米结构的配位作用，通过提高分子骨架刚性减少非辐射能量衰减。实验确定绿色通道（G通道）最能有效捕获荧光信号变化，为智能手机定量分析提供依据。

3.3. L-Al_3xP的选择性验证与分析性能

在对23种酚类化合物的选择性测试中，仅有具有肉桂酸骨架的邻二酚类（咖啡酸、迷迭香酸、绿原酸）能引发显著荧光增强，其他结构类型的酚类即使浓度提高5倍仍无响应。剂量反应曲线显示三种o-PCs的检测线性范围分别为2.5-15 μM（咖啡酸）、2.5-25 μM（迷迭香酸）和10-50 μM（绿原酸），检测限达到0.6-3.0 μM。设备在24天内保持稳定响应（RSD≤4.1%）。

3.4. L-Al_3xP在食品样本中的应用

在实际样本检测中，平台对苹果酒、迷迭香、鼠尾草等15种食品的检测结果与HPLC-MS/MS参考方法高度吻合（r=0.993）。添加回收实验显示回收率为105.0%-118.1%，证明方法具有良好的准确性。特别值得注意的是，常见食品组分（糖类、有机酸、氨基酸等）均未产生干扰信号，凸显了方法的选择性优势。

这项研究的创新价值在于首次将激光诱导铝纳米结构与纸基传感技术相结合，开创了一种新型荧光检测模式。与传统比色法相比，荧光检测策略通过结构特异性相互作用实现了类选择性识别，解决了食品复杂基质中特定抗氧化剂快速检测的难题。所开发的L-Al_3xP平台每个检测成本仅约0.20欧元，且制造过程无需复杂化学处理，为食品工业现场质量监控、原产地鉴别以及功能性食品开发提供了强有力的技术支撑。这种将先进纳米材料制备技术与便携式检测需求相结合的研究思路，为未来食品安全检测技术的发展指明了新方向。