基于LAPONITE的Eu3+/碳点比率型荧光探针实现食品新鲜度的实时视觉检测

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Real-time visual sensing of food freshness with LAPONITE-based Eu3?+/carbon dots ratiometric fluorescent probe

　　

摘要

组胺是海鲜和发酵食品中普遍存在的生物胺，作为关键的食品腐败指标和食物中毒触发物，其含量受到全球食品安全机构的严格监管。在此，通过离子交换和配位制备了一种用于组胺检测的双发射荧光探针 (CDs@LAPONITE-Eu³⁺-HBTFA)。在 380?nm 激发下，探针显示出 617?nm 处的 Eu³⁺ 敏化红色发射和 470?nm 处的氮掺杂碳点 (N-CDs) 蓝色发射。添加组胺后，咪唑环和伯胺基团与 Eu³⁺ 配位，改变其微环境，削弱配体到金属的能量转移，猝灭 617?nm 处的发射，并略微提高 470?nm 处的峰值。荧光强度比 (I₆₁₇/I₄₇₀) 的检测限为 0.5583?μM (0.061?mg·kg^?1)，远低于世界卫生组织的安全阈值。此外，将探针固定在试纸上，并结合基于智能手机的 RGB 分析，成功监测了室温储存期间的海鲜新鲜度。这种非接触式、低成本、便携的平台非常适合现场食品安全监测。

引言

组胺 (HIS) 是海鲜和发酵食品中天然存在的生物胺之一 [1], [2], [3], [4]。它是由微生物脱羧酶催化组氨酸氧化脱羧形成的产物。如果产品储存不当，微生物就会生长并增加组胺的形成量 [5], [6], [7]。因此，组胺含量可作为腐败的良好指标，组胺含量越高，腐烂程度越深 [8]。大量组胺会导致瘙痒、呕吐、头痛，甚至死亡 [9], [10]。这些风险引起了监管机构的关注。大多数国家和地区已为食品，尤其是海鲜设定了组胺限值。美国 FDA 在鱼类中设定的限值为 50?mg·kg^?1，欧盟设定的最大限值为 100?mg·kg^?1，中国和土耳其设定的限值为 300?mg·kg^?1 [5], [11]。如此高的标准需要简单快速的方法来实时监测食品中的组胺。

目前，组胺检测技术主要包括：色谱法、光谱法、电化学传感和生物传感器 [4], [12], [13], [14], [15]。虽然色谱技术灵敏度高，但需要熟练的操作员，技术要求高。电极材料对电化学传感器的性能至关重要，且常因电极污损或共存氧化还原活性物质的干扰而受损。生物传感器需要特异性识别元素和其他转导平台（例如荧光或电化学读出），这增加了分析过程的复杂性。相比之下，光谱法是一种更简单方便的技术。组胺引起的颜色变化可直接通过肉眼观察，使其特别适合现场快速检测和实时监测 [16]。传统的单发射荧光探针易受激发光源强度波动和样品基质干扰的影响，导致检测稳定性和可靠性有限。然而，在比率传感中，这些干扰通过内置的自校准机制得到固有校正。

镧系离子具有窄发射带、大斯托克斯位移和长相发光寿命，有助于最小化光谱重叠和背景干扰并增加灵敏度 [17], [18]。Eu³⁺ 对组胺传感特别有吸引力，因为其发射对配位环境高度敏感 [19], [20]。然而，它们的摩尔吸光系数低且 Laporte 禁阻的 f-f 跃迁使得直接激发效率低 [21]。一种具有高分子量吸收系数的有机配体与 Eu³⁺，在适当激发下，能量转移到镧系中心触发其特征发光 [22], [23]。天线配体还与溶剂分子竞争，防止溶剂猝灭并保持发光 [24]。

苯甲酰 -1,1,1-三氟丙酮 (HBTFA) 是一种 β-二酮配体，与 Eu³⁺ 螯合形成稳定复合物，并通过天线效应增强其红色发射 [25], [26], [27]。组胺具有咪唑环和氨基，可从 Eu³⁺ 置换配位水分子或扰乱 HBTFA-Eu³⁺ 能量转移，从而实现灵敏检测 [28], [29], [30]。然而，镧系配合物通常光稳定性差且水分散性有限。因此，引入二维层状纳米黏土解决了这些问题。LAPONITE 的负电荷表面可通过静电相互作用稳定正电荷配合物，其纳米限域效应抑制了复合物聚集。LAPONITE 还为带正电组胺的局部富集提供了富集界面，这放大了荧光响应，并提高了相对于常规均相检测的灵敏度。

比率检测需要稳定且兼容的内部荧光参考。碳点 (CDs) 因其低毒性、良好的生物相容性和独特的光学特性而适合此目的 [31], [32], [33]。杂原子掺杂增强了碳点的荧光量子产率，并引入官能团和活性位点，提高了对分析物的亲和力和灵敏度 [34], [35], [36], [37]。我们选择氮掺杂碳点 (N-CDs) 作为内部参考。N-CDs 发射稳定的蓝色荧光，与组胺的吸收重叠最小。同时，其发射在 380?nm 激发下不受组胺影响。

在此，通过定制的离子交换和原位配位路线创新性地制备了一种比率荧光探针 (CDs@LAPONITE-Eu³⁺-HBTFA) (方案 1a)。在 380?nm 激发下，N-CDs 作为相对稳定的蓝色发射内部参考，而 HBTFA 通过高效的天线敏化效应触发特征 Eu³⁺ 红色发光。引入的组胺通过其咪唑部分选择性结合 Eu³⁺，重排 Eu³⁺ 的局部配位微环境，抑制配体到金属的能量转移途径，从而逐渐猝灭 617?nm 红色发射。同时，CDs 的 470?nm 蓝色发射作为相对稳定的参考通道。Eu³⁺ 传感发射与 CD 参考发射之间的差分变化产生明显的自校准比率荧光响应，减少了常见仪器和采样波动的影响。这种独特的差分传感机制保证了准确的组胺定量。利用出色的溶液相性能，进一步将探针固定在滤纸上，构建了一个便携式、纸基视觉传感平台，用于室温下非接触式海鲜新鲜度监测，实现了实际食品安全监测的快速现场视觉筛选 (方案 1b)。

章节摘要

试剂

LAPONITE RD 由北京艾高科技有限公司提供。硝酸铕六水合物 (Eu(NO₃)₃·6?H₂O)、组胺二盐酸盐 (99%)、甲基咪唑盐酸盐 (99%) 和苯甲酰 -1,1,1-三氟丙酮 (HBTFA, 98%) 购自泰坦试剂。微晶纤维素 (MCC，柱色谱用，97%) 购自上海源叶生物科技有限公司。N,N-二甲基甲酰胺 (DMF，分析纯) 由天津科密欧化学试剂有限公司供应。氢氧化钠 (NaOH) 购自天津

材料表征

N-CDs 和最终探针的 TEM 图像如图 1a 和图 1b 所示。负载 N-CDs 和 Eu³⁺-HBTFA 后，LAPONITE 保留了其二维层状结构。其负电荷表面吸附阳离子和中性分子，从而稳定了固定的荧光探针组件 [42]。通过 EDX 分析了元素组成。图 S1a 中的 N 信号证实了氮掺杂碳点的存在。EDX 能谱 (图 S1b) 揭示了其中的 C, N, O, F 和 Eu

结论

总之，为灵敏、视觉测定组胺，战略性地构建了一种双发射比率荧光探针 (CDs@LAPONITE-Eu³⁺-HBTFA)。N-CD 参考荧光团和 Eu³⁺-HBTFA 复合物已被有效锚定在 LAPONITE 无机框架内，赋予系统卓越的结构稳定性和出色的信号重复性。明显的差分荧光响应源于 Eu³⁺ 发射在特定

CRediT 作者贡献声明

柴智飞：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，调查，形式分析，数据整理，概念化。许军：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。陈祥镇：撰写 – 审阅与编辑，验证，监督，方法论，资金获取，形式分析，概念化。家磊：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，

利益冲突声明

作者声明无已知竞争经济利益或个人关系，这些关系可能已影响本论文报告的工作

致谢

本工作得到国家自然科学基金(62572173)、河南省科技攻关计划(262102321046) 和河南省高校科技创新团队基金 (24IRTSTHN014) 的支持。

柴智飞|许军|陈祥镇|家磊