基于双金属Au/Os纳米簇的荧光传感器：实现食品中苋菜的快速现场检测

《Journal of Food Composition and Analysis》：Fluorescent sensor based on bimetallic Au/Os nanoclusters: Enabling rapid and on-site detection of amaranth in food

荧光传感器基于聚乙烯亚胺修饰的Au/Os双金属纳米簇，实现对安息香的高灵敏快速检测（检测限18.00 nM，线性范围0.03-20.00 μM），通过纸条集成智能手机可视化分析，提升食品安全现场检测效率。

　　在当今社会，食品安全问题日益受到关注，尤其是在食品添加剂的使用方面。食品着色剂作为食品工业中广泛应用的一类添加剂，不仅用于恢复食品在加工过程中可能失去的颜色，还用于增强食品颜色的稳定性，使其在较长时间内保持鲜艳和一致。此外，食品着色剂还用于食品装饰和创意造型，使得食品产品更具吸引力，例如蛋糕装饰和糖果制作。它们还可以模拟天然食品的外观，如植物基肉类产品试图模仿真实肉类的外观。同时，食品着色剂在某些特殊食品的识别和区分中也发挥着重要作用，例如在区分维生素片中的不同维生素类型。

然而，尽管食品着色剂在食品工业中扮演着重要角色，其在食品中的过量使用却可能导致严重的负面影响。过量添加可能会掩盖食品的天然缺陷，例如将过量着色剂添加到变质的肉类中，可能会隐藏其不悦的颜色，使消费者难以通过视觉判断食品的新鲜度和质量。这种欺骗行为增加了误食变质食品的可能性，从而提高了食品安全风险。此外，过量使用食品着色剂还可能破坏食品原有的营养成分，降低其营养价值。从消费者健康的角度来看，长期摄入含有过量着色剂的食品会对健康构成重大威胁。它可能引发过敏反应，干扰体内神经递质的正常代谢，甚至增加患癌的风险。

鉴于这些挑战，开发高效的分析方法以实现食品着色剂的快速、现场检测变得尤为重要。目前，已有多种先进的分析技术用于检测食品中的着色剂，包括毛细管电泳、电化学、分光光度法和高效液相色谱等。这些方法虽然被广泛认可并频繁使用，但存在一些显著的缺点，例如需要专业知识、依赖昂贵的设备、样品制备过程复杂以及需要使用有毒试剂。因此，这些方法并不适合快速、现场的应用。相比之下，荧光方法因其低成本、易于操作、快速分析速度和卓越的灵敏度，逐渐成为食品着色剂检测的优选手段。更重要的是，荧光信号可以通过肉眼直接观察，从而无需复杂的仪器设备。因此，荧光方法在食品现场检测中具有显著优势。

截至目前，已有许多荧光传感器被开发用于食品着色剂的检测。例如，Sharma等人报告了一种基于稀土元素的金属有机框架，用于检测合成食品染料“亮绿”（BG）。Yuan等人则开发了一种基于双发射碳点的比率型传感器，用于定量分析“苋菜红”（Amaranth）。Jiang等人引入了一种简便的水热合成方法，用于碳点的制备，从而实现对“四氮唑”（Tetrazine）的检测。Ma等人研究了合成着色剂“靛蓝”（Indigo Carmine）与小牛胸腺DNA的相互作用，并利用溴化乙锭作为荧光传感器。此外，Priyanka等人报告了从桉树嫩枝中合成的多发射荧光碳纳米颗粒（CNPs）的制备，并用于检测“亮蓝FCF”（BB）。尽管这些荧光传感器在检测不同食品着色剂方面取得了进展，但它们仍然面临一些限制，如灵敏度较低、颜色可视化不足或易受光漂白影响，这在一定程度上阻碍了其在食品现场检测中的实际应用。

为了克服这些限制，研究者们开始关注一种新型的荧光纳米材料——金属纳米簇（NCs）。这类材料因其独特的荧光特性而受到高度重视。它们能够精确调控发射波长，以满足不同应用场景的需求。此外，金属纳米簇通常具有较高的量子产率，从而增强检测的灵敏度。较大的斯托克斯位移使得激发光与发射光之间有显著的光谱分离，从而减少背景光干扰，提高检测的准确性和可靠性。这些独特的性能使金属纳米簇在生物成像和荧光传感等领域展现出广阔的应用前景。

与单金属纳米簇相比，双金属纳米簇往往表现出更有利的荧光特性。这是因为两种不同金属元素之间的独特协同作用，不仅显著增强了荧光强度，使检测信号更加明显，还大幅提高了光稳定性。这种特性对于长期监测或现场检测尤为重要。因此，双金属纳米簇特别适合用于开发食品着色剂的快速、现场检测荧光传感器。

本研究中，我们精心开发了一种基于聚乙烯亚胺（PEI）包覆的金/锇（Au/Os）双金属纳米簇（PEI-capped Au/Os NCs）的荧光传感器，用于快速、现场检测一种常见的合成红色食品着色剂——苋菜红。通过一种简便的一锅法，我们成功合成了PEI-capped Au/Os NCs，确保其具有均匀的尺寸分布和优异的荧光性能，包括在465纳米处的明亮蓝色发射，具有高达51.5%的量子产率，并且光稳定性显著增强。这些特性有效解决了此前报道的基于纳米颗粒或有机荧光染料的荧光传感器所存在的诸多问题。

PEI-capped Au/Os NCs与苋菜红之间的相互作用主要由PEI的正电荷氨基（-NH?）和苋菜红的负电荷磺酸基团驱动。这种电荷相互作用促使形成共轭结构，并引发内滤效应（IFE）。这种相互作用导致荧光的猝灭，从而使得能够在0.03–20.00 μM的线性检测范围内对苋菜红进行选择性和定量分析，其检测限低至18.00 nM。值得一提的是，PEI-capped Au/Os NCs传感器被集成到纸条上，随后利用智能手机内置的摄像头进行荧光变化的可视化捕捉和记录。通过这种方法，我们成功将该传感器应用于葡萄汁饮料和糖果中苋菜红的快速、现场检测。

本研究的成果不仅在技术上实现了创新，还在实际应用中展现出显著优势。PEI-capped Au/Os NCs作为双金属纳米簇，不仅具有较高的荧光强度和良好的光稳定性，还能够通过简单的纸条集成和智能手机检测，实现快速、便捷的现场分析。这种方法避免了传统分析技术所需的复杂设备和繁琐的样品处理过程，极大地提高了检测效率。此外，这种传感器的开发为食品安全的监控提供了新的工具，具有重要的现实意义。

在材料和方法部分，我们详细介绍了所使用的化学试剂和仪器设备，以及量子产率的测量方法和集成到纸条上的智能手机检测技术。这些信息可以在支持材料中找到（见S1部分）。在对PEI-capped Au/Os NCs的表征中，我们通过透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）观察其形貌。HRTEM图像显示了PEI-capped Au/Os NCs的晶格间距为0.237纳米，这介于锇（Os）（100）晶格间距（0.238纳米）和金（Au）（111）晶格间距（0.235纳米）之间。我们推测，这些产物是由锇和金原子组成的纳米杂化结构。随后，我们进行了能量色散光谱（EDS）分析，以进一步确认其组成。

在结论部分，我们总结了本研究的主要成果。我们成功开发了一种基于独特PEI-capped Au/Os NCs的新型荧光传感器，用于快速、现场检测一种典型的合成红色食品着色剂——苋菜红。PEI-capped Au/Os NCs在465纳米处表现出强烈的荧光发射，而在加入苋菜红后，荧光显著减弱。这种荧光猝灭现象是由于PEI的正电荷氨基与 Ashe 红的负电荷磺酸基之间的静电相互作用，从而形成共轭结构。这种传感器的开发为食品安全的快速检测提供了新的思路和方法，具有重要的实际应用价值。

在作者贡献声明中，我们明确了每位作者在研究中的具体角色。Lingliang Long负责撰写和审阅论文，监督研究进展，并负责数据整理。Jaroon Jakmunee负责撰写和审阅论文，监督研究，并负责资金获取。Kun Wang负责撰写和审阅论文，监督研究，提供资源，获取资金，整理数据，并提出研究构想。Anila Arshad负责撰写原始论文，进行实验研究，进行数据分析，整理数据，并提出研究构想。Raheel Akram负责实验研究和数据分析。Lijun Ding负责数据分析和数据整理。Serena Arnaboldi负责实验研究。

在利益冲突声明中，我们声明所有作者均未发现任何可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。在致谢部分，我们感谢了国家自然科学基金（项目编号22174055和22474051）以及镇江市重点研发计划（项目编号NY2022012）的支持。同时，我们还感谢了泰国清迈大学的基础基金和创新化学卓越研究中心的部分资助。这些支持对于本研究的顺利进行起到了至关重要的作用。

本研究不仅在技术上实现了创新，还在实际应用中展现出显著优势。PEI-capped Au/Os NCs作为双金属纳米簇，不仅具有较高的荧光强度和良好的光稳定性，还能够通过简单的纸条集成和智能手机检测，实现快速、便捷的现场分析。这种方法避免了传统分析技术所需的复杂设备和繁琐的样品处理过程，极大地提高了检测效率。此外，这种传感器的开发为食品安全的快速检测提供了新的思路和方法，具有重要的现实意义。

在当前食品安全监管日益严格的背景下，本研究的成果具有重要的推广价值。PEI-capped Au/Os NCs传感器不仅可以用于苋菜红的检测，还可能适用于其他食品着色剂的检测。其简便的操作流程和快速的检测速度，使得该技术在食品质量控制和安全监测中具有广泛的应用前景。同时，这种基于智能手机的检测方法也降低了检测成本，提高了检测的可及性，使得更多基层检测机构能够使用该技术进行食品安全的快速筛查。

本研究的创新之处在于首次将荧光双金属纳米簇应用于食品着色剂的快速、现场检测。通过将纳米材料与纸条结合，并利用智能手机的摄像头进行检测，不仅实现了技术上的突破，还为食品安全的监控提供了新的工具。这种方法具有高度的灵活性和实用性，可以适应不同的检测环境和条件，为食品行业的监管和检测工作带来了新的思路和方法。

未来的研究方向可以包括进一步优化PEI-capped Au/Os NCs的性能，提高其对多种食品着色剂的检测能力。此外，还可以探索将该技术应用于其他类型的食品添加剂检测，如防腐剂、甜味剂等。同时，为了提高检测的准确性，可以结合其他分析手段，如光谱分析和电化学分析，实现多模式检测。这种综合检测方法可以提高检测的全面性和可靠性，为食品安全的监管提供更强大的技术支持。

在实际应用中，该技术可以被广泛应用于食品生产企业、市场监管部门和消费者监督机构。食品生产企业可以利用该技术进行原料和成品的快速检测，确保产品符合食品安全标准。市场监管部门可以使用该技术进行现场抽检，提高监管效率。消费者监督机构可以推广该技术，使消费者能够自行检测食品中的着色剂含量，提高食品安全意识。此外，该技术还可以被应用于食品包装材料的检测，确保包装材料的安全性。

在环境保护和可持续发展的背景下，该技术的绿色合成和无毒检测方法也具有重要意义。PEI-capped Au/Os NCs的合成过程相对简单，无需使用有毒试剂，符合绿色化学的要求。此外，该传感器的检测过程也不涉及有害物质的使用，减少了对环境的污染。因此，该技术不仅在食品安全领域具有应用价值，还符合当前社会对可持续发展的要求。

在技术推广和应用方面，还需要考虑不同地区的实际情况。例如，在一些资源有限的地区，可能需要更简单的检测设备和更便捷的操作流程。因此，未来的研究可以探索更加简易的检测方法，如使用便携式荧光检测仪或开发基于手机的移动应用，实现更广泛的应用。此外，还可以通过优化传感器的灵敏度和选择性，提高其在复杂食品基质中的检测能力，确保检测结果的准确性。

本研究的成果为食品着色剂的检测提供了一种新的解决方案，同时也为其他食品添加剂的检测提供了借鉴。通过将先进的纳米材料与传统的检测手段相结合，实现了技术上的创新和应用上的突破。这种结合不仅提高了检测的效率和准确性，还降低了检测的成本，使得更多机构和个人能够使用该技术进行食品安全的检测。

在食品行业快速发展的背景下，食品安全问题愈发受到重视。因此，开发高效、便捷的检测技术对于保障食品安全具有重要意义。本研究的成果为食品安全的快速检测提供了新的思路和方法，具有重要的现实意义。同时，该技术的推广和应用也有助于提高消费者的食品安全意识，促进食品行业的健康发展。

总之，本研究通过开发一种基于PEI-capped Au/Os NCs的新型荧光传感器，实现了对苋菜红的快速、现场检测。该传感器不仅具有较高的灵敏度和选择性，还能够通过简单的纸条集成和智能手机检测，实现便捷的操作。这种方法为食品安全的监管提供了新的工具，具有重要的应用价值。未来的研究可以进一步优化该技术，提高其在复杂食品基质中的检测能力，并探索其在其他食品添加剂检测中的应用，为食品安全的保障提供更全面的技术支持。