深度学习辅助的pH响应型比率荧光纳米纤维用于羊肉新鲜度监测

《Microchemical Journal》：Deep learning-assisted pH-responsive ratiometric fluorescent nanofiber for monitoring of mutton freshness

　　

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  比率型荧光静电纺丝标签实现羊肉新鲜度的可视化监测。
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  该静电纺丝标签对氨/三甲胺表现出高灵敏度和优异的稳定性。
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  顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用（HS-SPME-GC–MS）证实三甲胺、三乙胺和二甲基胺是羊肉腐败的关键挥发性生物胺。
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  密度泛函理论阐明了荧光素（Flu）对挥发性碱性含氮化合物的去质子化机制。
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  将EfficientNet-B0模型部署至原型移动应用程序，实现高效检测。

引言

监测羊肉新鲜度至关重要，因为羊肉富含蛋白质及其他营养物质，在冷链各环节极易受到外来微生物污染而腐败变质，从而对消费者健康构成威胁[1]，[2]。在腐败过程中，微生物分解含氮蛋白质并释放挥发性碱性含氮化合物（VBNCs）——本文将其定义为无机氨（NH?）及三甲胺（TMA）、三乙胺（TEA）、二甲基胺（DMA）等挥发性生物胺的统称——这些化合物在密封包装的顶空中不断累积，并逐步提高pH值[3]。基于此原理，pH响应型智能包装已成为实时监测肉类新鲜度的有力工具。此类包装可大致分为比色型和荧光型两大类[4]。其中，荧光指示标签凭借其响应迅速、灵敏度高且发射颜色可调等优势，受到了广泛关注[5]。尤其是比率型荧光标签，其利用指示剂和参比物质的双发射信号实现内标自校准，这一独特特性克服了单信号检测的固有局限性，显著提高了监测精度[6]，[7]。

值得注意的是，要在比率型荧光策略中实现高监测性能，需要通过合理选择荧光指示剂和载体，将化学目标转化为稳定可靠的信号。在商用pH敏感荧光团中，荧光素（Flu）以其光稳定性、生物相容性和低成本而脱颖而出。已有若干研究将Flu与参比荧光团整合，构建了用于海鲜新鲜度监测的比率型标签[8]，[9]。然而，大多数基于Flu的新鲜度标签主要依赖经验性的颜色变化。荧光素响应与特定肉基质中实际VBNC组成之间的分子层面关系尚未得到充分探索。这一局限性对于羊肉尤为相关：由于羊肉中的三甲胺氧化物含量远低于海洋鱼类，其在早期腐败阶段包装顶空中的VBNC浓度通常较低。这使得低ppm检测能力和快速气体扩散对于早期腐败检测尤为重要[10]，[11]，[12]。因此，阐明去质子化如何改变Flu的能级和电子跃迁，以及所形成的物种如何与羊肉中实际的VBNC相互作用，将有助于实现合理的、机制驱动的探针设计，并建立分子响应与实际羊肉新鲜度之间的精确关联。

鉴于指示剂化学已经成熟，载体工程成为实际传感性能的关键决定因素。研究表明，肉类腐败早期阶段的VBNC浓度低于50 ppm[13]，[14]。然而，大多数传统载体（纸张、薄膜或凝胶）具有有限的比表面积和较差的气体渗透性，严重阻碍了腐败挥发物向指示剂位点的扩散，导致响应迟缓，灵敏度不足，无法满足早期腐败检测的需求[13]。静电纺丝技术提供了一种有前景的替代方案，通过制备具有高孔隙率、大比表面积和互连孔结构的纳米纤维，大大提高了气体扩散能力和指示剂与腐败VBNC之间的接触面积[15]。重要的是，纺丝基体材料直接影响所制备纳米纤维的力学性能、生物相容性和指示剂负载效率。合成聚合物长期以来一直是构建高性能纳米纤维的首选材料，因为它们具有可控制的分子量、优异的纺丝性和可调的力学性能。然而，可生物降解聚酯如聚乳酸和聚己内酯通常需要二氯甲烷和氯仿等有机溶剂进行静电纺丝。残留溶剂的潜在毒性、溶剂回收的环境成本以及静电纺丝过程中溶剂蒸发对操作人员造成的健康风险，均阻碍了其工业级大规模应用[16]，[17]。此外，由这些疏水性聚酯制备的纳米纤维表现出固有的疏水性，这严重限制了VBNC向嵌入的指示剂位点的可及性，从而降低了检测灵敏度（扩散的碱性分子，如NH?和挥发性生物胺，在纤维中电离产生OH^?，提高微环境的pH值）。相比之下，聚乙烯醇（PVA）凭借其良好的纺丝性、环境友好性和生物相容性成为一种有吸引力的替代材料，同时其丰富的羟基使其可以进行化学交联以提高水稳定性，使PVA成为灵敏的新鲜度指示标签的理想基材[18]，[19]。

尽管比率型荧光传感可以克服肉眼判断的局限性，但环境变化可能导致图像偏差，降低新鲜度评估的可靠性[20]。为此，深度卷积神经网络（DCNNs）越来越多地与传感技术结合用于智能识别[21]，[22]，[23]。然而，它们与固态比率型荧光纳米纤维标签的结合在肉类新鲜度监测领域仍未得到充分探索。

因此，本工作并非简单地将成熟的Flu/RhB体系适配到新的肉基质中，而是旨在构建一个从材料制备到智能解读的羊肉新鲜度监测一体化解决方案，将量子化学阐明荧光素对两种代表性VBNC（NH?和TMA）的传感机制、化学验证对羊肉实际腐败挥发物的响应，以及深度学习辅助的定量监测整合到单一自立标签中。这一集成将成熟的传感原理拓展为一个可靠、可迁移且可实际部署的新鲜度监测系统。首先，采用市售且廉价的荧光素（pH敏感指示剂）和罗丹明B（内部参比），以PVA为聚合物基体，通过静电纺丝制备纳米纤维，随后进行顶空戊二醛交联以提高水稳定性。对其微观结构、理化性质、光学响应特性、实际监测性能和安全性进行了系统表征。在此基础上，通过密度泛函理论计算系统探索了肉类腐败过程中通常产生的VBNC所触发的本征荧光传感机制。此外，引入DCNN策略以消除肉眼观察的主观误差，从而实现在贮藏过程中对羊肉新鲜度的精确、可视化和实时定量监测。

章节摘要

材料

材料详情见补充信息。

纳米纤维的制备

静电纺丝和交联参数及过程参考了我们之前的研究[24]。值得注意的是，最终获得的未添加RhB和Flu的纳米纤维被标记为PVA-G。当在PVA中负载1、3或5 mg的Flu时，分别标记为PVA@1Flu-G、PVA@3Flu-G和PVA@5Flu-G。如果同时包含RhB和1、3或5 mg的Flu，则复合传感标签被标记为

RhB和Flu的光学性质

为验证RhB/Flu比率型荧光体系，利用紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱表征了RhB、Flu及其混合物的发光性质。如图S1（A-B）所示，RhB溶液在自然日光或365 nm荧光灯照射下，其pH响应变化极小，表明其pH特性稳定。此外，CIE色度坐标聚集在几乎相同的位置（图S2），

结论

鉴于羊肉中目标VBNC浓度固有的较低水平，本工作通过静电纺丝制备了一种比率型荧光pH响应纳米纤维，以PVA为基体，负载Flu作为pH敏感荧光团，RhB作为内部参比荧光团。SEM、FTIR、XRD和共聚焦激光扫描显微镜表征证实了Flu/RhB与PVA基质之间通过氢键具有良好的相容性。与纯PVA-G相比，Flu/RhB的引入显著

CRediT作者贡献声明

夏飞（Fei Xia）：初稿撰写、方法论、调查研究、数据整理。赵春杰（Chunjie Zhao）：资源提供、概念构思。张鹏（Peng Zhang）：软件设计、经费获取。杨贺军（Hejun Yang）：调查研究。张哲宇（Zheyu Zhang）：调查研究。康悦（Yue Kang）：调查研究。张红丽（Hongli Zhang）：资源提供。孙文秀（Wenxiu Sun）：指导监督、项目管理、概念构思。

未引用参考文献

[63]

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

我们衷心感谢中国科学院（2023YFHH0021）、中国科学院（2026YFSH0040）和国家自然科学基金委员会（32360607）的支持。夏飞（Fei Xia）和赵春杰（Chunjie Zhao）对本文贡献同等重要。

夏飞（Fei Xia）|赵春杰（Chunjie Zhao）|张鹏（Peng Zhang）|杨贺军（Hejun Yang）|张哲宇（Zheyu Zhang）|康悦（Yue Kang）|张红丽（Hongli Zhang）|孙文秀（Wenxiu Sun）