基于嵌载氮化硅纳米酶的葛根淀粉水凝胶的非接触式智能手机比色传感平台，用于现场肉类新鲜度监测

《Food Chemistry》：Non-contact smartphone-based colorimetric sensing platform using Si 3N 4 nanozyme-embedded kudzu starch hydrogel for on-site meat freshness monitoring

　　

## 要点摘要

• 构建了一种基于Si?N?纳米酶嵌入葛根淀粉水凝胶的新型非接触比色检测平台。

• Si?N?纳米酶具有内在的过氧化物酶模拟活性，可催化TMB氧化。

• 壬醛可触发竞争性氧化还原反应，使蓝色ox-TMB褪色以实现信号读出。

• 智能手机辅助的RGB分析可实现壬醛相关挥发性变化的现场定量分析。

• 该平台在实际肉样品中表现出潜在的区分选择性和令人满意的回收率。

## 引言

近年来，全球人口增长、经济发展和消费者偏好变化推动了高质量肉制品需求的稳步增长（Chen等，2026）。肉类新鲜度对于预防由细菌生长引起的食源性疾病以及降低相关人体中毒风险至关重要。由于肉类在生产、运输或储存过程中可能因暴露于不当温度而在任何阶段降解，因此拥有一种可靠的肉类新鲜度和可食性判定方法至关重要（Hidalgo等，2025；Liu, Chen等，2025；Mia & Hashem，2026）。传统的肉类新鲜度评估方法——如凯氏定氮法、氨基酸态氮测定、分光光度法和紫外光电离质谱——虽然准确，但往往程序繁琐、耗时较长，且依赖精密仪器和受过专业训练的人员。因此，迫切需要开发适用于现场新鲜度快速评估的便捷策略（Mohseni-Shahri等，2025）。

在众多新兴分析检测策略中，非接触式传感平台因具有操作简便、样品前处理要求极低以及交叉污染风险小等固有优势，在食品分析领域备受关注（Chai & Lai，2026；Xie等，2024；Zhai等，2025）。特别是，基于水凝胶的非接触式传感凭借其低成本、操作简便和非侵入性特点，已成为日益增长的研究热点。这种非侵入模式最大程度地减少了对食品样品基质的扰动，为实际食品检测场景提供了极具前景的应用潜力（Qian等，2025）。

水凝胶是由一种或多种单体单元合成、含水溶胀的三维交联聚合物网络。作为一类刺激响应型可溶胀高分子材料，水凝胶具有多种优良特性，包括对食品表面的优异贴合能力以实现原位目标捕获，以及稳定的多孔三维网络结构。这些优势特性赋予了水凝胶在食品安全监测方面的显著应用潜力（Liu等，2023）。此外，水凝胶可与多种基质材料和功能掺杂剂灵活结合，实现多样化的传感功能。例如，一种利用负载荧光素5-异硫氰酸酯-葡聚糖的水凝胶进行pH缓冲容量检测的创新传感平台已被开发，通过包括扩散距离和颜色强度变化在内的光学响应实现信号读出（Wang等，2019）。与传统的酸碱滴定法相比，该方法无需手动加试剂，在现场检测应用中展现出相当大的潜力。

近年来，针对食品产品——尤其是肉类和水产品——新鲜度评估的众多分析策略已得到发展。在这些方法中，比色检测已成为应用最为广泛的技术（Choi等，2023；Esteves da Silva等，2025；Gan等，2025）。然而，传统比色方法的灵敏度有限，不足以对低浓度目标分析物进行高精度检测（Yang等，2023）。

智能手机的广泛普及为便携式分析检测开辟了变革性的可能性（Aleluia等，2026）。智能手机集成了多种内置传感器，并具备轻量化设计、紧凑尺寸和无线互联网连接等优势。值得注意的是，内置摄像头是智能手机最有价值的功能组件之一。可通过免费获取的移动应用处理智能手机摄像头拍摄的图像，从而定量提取RGB（红-绿-蓝）颜色参数（Minh-Huy等，2023）。该策略使得通过智能手机成像将比色反应的视觉颜色信号转换为相应的RGB数值成为可能。经过简单数据处理后，所获取的RGB值可用于建立校准曲线，进而实现对未知样品中目标浓度的定量测定（Laput等，2025）。

纳米酶是一类具有固有酶模拟催化活性的纳米材料，在生物传感领域引起了越来越多的研究兴趣（Xu等，2026；Xue等，2021）。其突出优势包括高催化效率（Li等，2024）、优异的结构稳定性（Wu等，2025），以及制备简便和长期储存稳定性好（Zhao等，2026）。尽管具有这些有利特性，但大多数现有的纳米酶基传感平台仍需与样品基质直接接触，或存在目标选择性不足的问题，严重限制了其在复杂食品体系中的实际应用。

虽然已开发非接触检测策略来克服直接接触检测的缺点，但在当前的非接触比色系统中用于肉类新鲜度评估仍存在若干关键局限性。传统的新鲜度指标，包括挥发性总碱氮（TVB-N）和菌落总数（TVC），通常依赖破坏性采样程序（Baek等，2021）。相比之下，顶空挥发性组分分析为肉类新鲜度监测提供了一种非破坏性、实时的替代方案（Wan等，2026；Zhang, Sun等，2023）。大多数已报道的传感平台主要针对生物胺或TVB-N，二者均与肉类腐败过程中后期的蛋白质降解密切相关（Sun等，2025）。然而，这些标志物主要反映变质后期阶段，对早期脂质氧化——肉类品质下降的关键起始事件——敏感性较低（You等，2026）。

壬醛是一种在脂质氧化和微生物代谢过程中产生的特征性挥发性醛类，是肉类早期腐败的有前景的生物标志物。然而，尽管壬醛与红肉和白肉产品的早期品质劣变具有强相关性（Yu等，2025），但在非接触传感系统中很少被选为检测目标。壬醛普遍存在于腐败肉制品中，并在家畜猪肉、牛肉和鸡肉储存过程中逐渐积累（Han等，2025；Ouyang等，2026），使其成为追踪肉类品质下降动态过程的理想指标。

在纳米酶材料选择方面，氧化铁和二氧化锰基纳米材料仍然是最常用的催化组分。然而，其过氧化物酶模拟活性极易受pH波动和复杂食品基质中共存干扰离子的影响（Wu等，2025）。氮化硅（Si?N?）是一种具有卓越化学稳定性和抗氧化性的陶瓷材料，目前尚未被研究用于挥发性响应纳米酶传感平台，其在该领域的应用潜力仍有待探索。

此外，现有传感系统中使用的大多数水凝胶基质由合成聚合物制成，聚乙烯醇是其中的代表（Lu, Chen等，2026；Sun等，2026）。由于良好的生物相容性和环保特性，天然多糖基水凝胶引起了越来越多的关注（Hui等，2026）。特别是，葛根淀粉凭借其丰富的羟基和固有的多孔网络结构（Zhu等，2025），在纳米酶固定化和挥发性分子高效扩散方面显示出巨大潜力。然而，迄今为止，葛根淀粉基水凝胶在非接触挥发性传感中的应用仍有待探索。

在本研究中，我们提出了一种用于现场肉类新鲜度监测的新型非接触比色传感平台，该平台集成了氮化硅（Si?N?）纳米酶的过氧化物酶模拟催化活性、葛根淀粉基复合水凝胶基质以及智能手机辅助的RGB比色分析。整体研究框架如下：首先，通过直接氮化方法合成Si?N?纳米颗粒，并使用透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）进行系统表征。通过催化氧化显色底物3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）（在过氧化氢（H?O?）存在下）验证其固有 over氧化物酶模拟活性，生成特征蓝色氧化产物（ox-TMB）。其次，通过溶胶-凝胶法将制备的Si?N?纳米酶嵌入葛根淀粉基质中，制备多孔复合水凝胶。包括淀粉浓度、凝胶化温度和固化时间在内的关键制备参数通过单因素实验和正交实验设计进行系统优化。所得优化水凝胶表现出改善的吸水能力、增强的机械强度和明确的三维多孔网络结构，通过扫描电子显微镜（SEM）、FT-IR光谱、质构剖面分析、流变学测量和溶胀实验得到证实。第三，系统阐明其传感机理。具体而言，Si?N?纳米酶催化H?O?分解产生羟基自由基（·OH），将无色的TMB氧化为蓝色的ox-TMB。在暴露于壬醛——肉类腐败过程中释放的特征性挥发性醛类时，拟议的竞争性氧化还原反应发生，蓝色的ox-TMB被还原回其无色的白藜芦醇形式，导致水凝胶出现与浓度相关的可见褪色。最后，建立智能手机辅助的定量检测策略。在标准化成像条件下（优化的快门速度、光圈和ISO设置）使用智能手机摄像头捕捉水凝胶的比色响应。所获取的图像使用Color Grab应用程序进行处理以提取红-绿-蓝（RGB）强度值，这些值与壬醛浓度相关联以构建校准曲线。综合评估该平台的分析性能，包括线性检测范围、检测限（LOD）、对常见潜在干扰物的选择性以及在真实肉样品中的加标回收率。

总体而言，这一集成传感平台提供了一种便携式、非侵入性和成本效益高的肉类新鲜度实时评估策略，在现场食品质量和安全监测方面具有巨大的应用潜力。

## 片段小节

### 试剂与材料

硅粉购自河北灵寿坤健矿物产品加工厂（河北，中国）。氮气钢瓶购自山东天齐贸易有限公司（山东，中国）。H?O?购自云南英磊经贸有限公司（云南，中国）。TMB购自北京索莱宝科技有限公司（北京，中国）。乙酸购自济南齐晨化工有限公司（山东，中国）。乙酸钠购自……

### Si?N?的表征

如图1A所示，所合成的Si?N?纳米颗粒呈现200至800 nm的较宽粒径分布，具有不规则形貌和锐利边缘。能量色散X射线光谱（EDS）显示了对应于Si Kα（≈1.8 keV）和N Kα（≈0.4 keV）的特征峰，原子含量分别为57.71 at.%和39.06 at.%，证实了产品的高纯度。为提供定量的粒径统计，选取200个颗粒个体……

### 结论

在本研究中，我们开发了一种用于现场肉类新鲜度监测的非接触比色传感平台。该系统以Si?N?纳米酶嵌入葛根淀粉复合水凝胶为传感元件，以智能手机为便携式RGB比色读出设备。Si?N?纳米酶表现出固有的过氧化物酶模拟催化活性：其催化H?O?分解产生羟基自由基，进而将显色底物TMB氧化为蓝色产物……

### CRediT作者贡献声明

Yang He：写作——审阅与编辑，软件，方法论，调查研究，形式化分析，概念化。Kabeh Addi Nyahn：写作——审阅与编辑，形式化分析。Yanyu Chen：写作——初稿撰写，形式化分析。Mingyi Zhang：写作——审阅与编辑，软件，方法论，调查研究，形式化分析。Huanan Guan：写作——初稿撰写，项目管理，方法论，资金获取。

### 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

### 致谢

本研究受中国国家重点研发计划（编号：2023YFC2604903）、国家自然科学基金（编号：31201376）、镇江科技计划（编号：GY2025045和NY2025019）、江苏省产学研合作项目（编号：BY20250065）资助。

Yang He | Kabeh Addi Nyahn | Yanyu Chen | Mingyi Zhang | Huanan Guan