氮掺杂碳点二维打印比色传感器：虾类新鲜度实时监测的开发与应用

《Journal of Food Composition and Analysis》：A 2D-printed nitrogen-doped carbon dot sensor: Development and application in shrimp freshness monitoring

　　

本研究以尿素和柠檬酸为前驱体，通过水热法合成了氮掺杂碳点（N-CDs），并借助二维（2D）打印技术将其负载于定性滤纸上，构建了一种用于虾新鲜度实时可视化监测的pH响应型比色传感器。研究人员系统探究了纯化时间、质子化时间及打印体积对传感器颜色响应性能的影响，并优化了制备工艺。通过材料表征、pH依赖性比色响应、储存稳定性及氨气敏感性等实验，验证了该传感器的可行性。结果表明，所制备的N-CDs在不同pH条件下呈现丰富的颜色变化，且基于质子化/去质子化机制，能够在腐败阈值处产生明显变色。该传感器在4°C和25°C储存条件下对虾的pH值及挥发性碱性氮（TVB-N）含量变化表现出良好的监测能力，并可通过智能手机成像实现气味信息的可视化。该研究为虾类及其他高蛋白水产品的新鲜度监测提供了一种绿色、安全、高效的技术途径。

一、研究背景与科学问题

虾类作为广泛消费的蛋白质来源，在储存过程中极易发生细菌性腐败，释放氨及其他挥发性碱性化合物，这些物质可作为品质劣变的信号标志。然而，虾早期腐败往往难以通过外观直接察觉，仅当变色、异味或质地变化出现时才变得明显，这使得实时新鲜度监测对于食品安全和经济价值均至关重要。传统的虾新鲜度评价方法涵盖感官、物理、化学及微生物学分析，尽管生物胺如氨可作为新鲜度标志物，但气相或液相色谱-质谱联用等标准检测技术存在仪器依赖性强、成本高昂、不适用于快速或可视化监测等局限。当前智能指示剂如某些荧光探针也面临响应慢、适用性窄及荧光猝灭等问题，阻碍了其在多样化食品体系中的实际应用。传统包装薄膜仅作为阻隔外部污染物的物理屏障，缺乏实时监测虾新鲜度的能力。

在虾类可视化新鲜度监测领域，pH敏感型包装因其环境友好、安全、高效和低成本而受到广泛研究，主要通过检测挥发性碱性氮或pH值变化实现新鲜度的可视化指示。然而，现有研究多集中于优化pH敏感染料，尤其是天然色素的改性与复配，此类染料常面临稳定性与耐久性不足的问题。同时，基于纤维素等材料的包装膜虽能通过颜色变化实现实时监测，但其高亲水性导致在高湿环境中溶胀和结构降解，影响检测准确性与实用性。因此，筛选稳定、响应的染料及合适的载体材料，仍是实现虾及其他高蛋白水产品可靠可视化新鲜度监测的关键挑战。

碳点（Carbon dots, CDs）作为一类新型碳基纳米结构，由sp2/sp3杂化碳核及丰富的表面官能团或聚合物链构成。近年来，CDs因其显著的pH敏感变色特性和低细胞毒性，在食品可视化新鲜度监测领域受到日益广泛的关注。此外，CDs还具备合成成本低、制备路线简单、尺寸小、优异发光性能及良好生物相容性等优点。然而，目前pH敏感碳点的制备主要集中于杂环和多种杂原子的引入，在高比色性能与环境友好性之间实现双赢仍具挑战性。此外，所合成的碳点往往缺乏传统化学pH指示剂所具备的丰富pH依赖性颜色变化，难以对食品储存过程中微小的pH波动做出灵敏响应。因此，开发一种仅由可食用原料制备、无毒、易于制造且呈现多样化pH诱导颜色变化的新型多功能碳点至关重要。

纸基载体作为新鲜度监测平台具有低成本、便携性和结构灵活等优势，尤其适用于虾新鲜度评估。纸基传感器不仅可规模化生产，还能通过肉眼颜色或荧光变化实现可视化新鲜度评价，克服了传统方法对复杂仪器的依赖。二维打印技术在食品新鲜度监测中的应用进一步实现了可折叠传感器和智能标签的高效制造，解决了复杂结构制造和高成本问题。然而，现有基于碳点的新鲜度传感器主要以传统复合薄膜形式制备，存在碳点负载不均匀、传感区域设计灵活性受限及批次间重现性差等缺陷。

二、研究内容与核心技术方法

针对上述问题，本研究以天然尿素和食用柠檬酸为前驱体，通过水热法合成氮掺杂碳点（N-CDs），并利用二维（2D）打印技术将N-CDs负载于定性滤纸上，构建了pH敏感的纸基比色传感器。通过精细调控合成与透析条件，研究人员获得了一种在不同pH环境中呈现广泛颜色变化的新型碳点。研究通过材料表征、pH依赖性比色响应、储存稳定性及氨敏感性等实验系统验证了传感器的可行性，并将其应用于4°C和25°C储存条件下虾新鲜度指标的监测。

研究采用的主要关键技术方法包括：水热合成法（hydrothermal method）制备N-CDs；透析纯化（dialysis purification）调控碳点性质；二维按需打印技术（2D drop-on-demand printing）实现传感器精确制造；透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）及X射线衍射（XRD）等材料表征手段；紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）与荧光光谱分析；色度学分析（colorimetric analysis）基于CIELAB色彩空间计算总色差（ΔE）及RGB灵敏度参数（S_RGB）；凯氏定氮法（Kjeldahl method）测定挥发性碱性氮（TVB-N）含量。样本为购自太原小店蓝海农产品贸易市场的新鲜虾肉。

三、研究结果

N-CDs的合成与表征优化： 研究人员以柠檬酸一水合物和尿素为前驱体，在180°C条件下水热反应3小时合成N-CDs，并通过不同时长（3、6、9、12小时）的透析纯化处理，筛选出色响应最丰富的纯化时间组。通过TEM观察碳点微观结构，利用ImageJ分析粒径分布，采用DLS和Zeta电位分析仪测定水合粒径及表面电荷，FT-IR鉴定官能团，XPS分析元素组成，XRD分析晶体结构，荧光分光光度计确定最佳激发和发射波长。

传感器构建与参数优化： 制备Britton-Robinson（BR）缓冲溶液调节pH至3-11范围，评估质子化时间（1-7天）对N-CDs pH响应的影响，以同pH值下的ΔE值作为评价指标筛选最佳质子化时间。通过二维打印机以梯度体积（10、20、30、40 μL）将N-CDs均匀负载于滤纸上，以0.8 M氨水蒸气暴露1小时后，利用智能手机拍照并结合ImageJ记录RGB值，根据响应灵敏度参数确定最佳打印体积。

比色响应与气体选择性： 将N-CDs传感器喷涂不同pH值（3-11）的BR缓冲液，使用CR-400色差仪记录L、a、b*色彩参数并计算ΔE，验证了传感器在不同pH环境下的丰富颜色变化。气体选择性和氨响应测试表明，传感器对氨（NH₃）、二甲胺（DMA）和三甲胺（TMA）等挥发性碱性气体表现出显著的颜色响应，而对乙醇、丙酮和超纯水蒸气的响应较弱，显示出良好的气体选择性。

打印均匀性与稳定性评估： 通过批内和批间分析评估打印均匀性，五组传感器（CK、1、2、3、4）的色彩参数测量结果表明传感器具有良好的信号均匀性。在4°C和25°C暗处储存64天后，ΔE值变化较小，证明传感器具有优异的储存稳定性。

虾新鲜度监测应用： 将N-CDs传感器贴附于密封盒盖内侧，分别在25 ± 1°C储存48小时（每6小时拍照）和4 ± 1°C储存7天（每24小时拍照）条件下监测虾的新鲜度。同时，参照国家标准GB 5009.228-2016采用自动凯氏定氮仪测定TVB-N含量，使用pH计测定虾肉pH值。结果表明，传感器颜色变化与虾储存过程中pH值和TVB-N含量的变化趋势具有良好的对应关系，在不同新鲜度水平呈现特定的颜色显示，实现了虾新鲜度的实时可视化监测。

四、讨论与结论

本研究通过水热法合成了以天然尿素和食用柠檬酸为前驱体的氮掺杂碳点，并借助二维打印技术成功构建了纸基比色传感器。该传感器克服了传统复合薄膜传感器碳点负载不均匀、传感区域设计灵活性有限及批次间重现性差等缺陷，实现了碳点分布和传感图案的精确控制。传感器在不同pH条件下呈现丰富的颜色变化，对挥发性碱性气体具有良好的选择性和灵敏度，并展现出优异的储存稳定性。在实际应用中，该传感器能够通过肉眼可见的颜色变化直观反映虾在4°C和25°C储存条件下的新鲜度变化，且可通过智能手机成像实现气味信息的可视化。该研究建立了一种绿色、安全、高效的虾新鲜度实时可视化监测方法，为虾类及其他高蛋白水产品的新鲜度监测提供了新的技术途径，具有显著的商业应用潜力。