基于AIE的双模式荧光传感平台用于食品样品中过氧化氢的快速可视化检测

《Food Frontiers》：An AIE-Based Dual-Mode Fluorescent Sensing Platform for Rapid and Visual Detection of Hydrogen Peroxide in Food Samples

　　

过氧化氢（H₂O₂）因其氧化、漂白和抗菌特性被广泛用于食品加工，但不当使用可能导致残留污染和潜在健康风险，因此对H₂O₂残留的现场监测对食品安全控制至关重要。传统仪器方法需要专用设备和繁琐操作，而许多荧光探针在复杂食品基质中面临聚集诱导猝灭（ACQ）、背景干扰和信号输出不稳定等问题。在此，研究人员通过将聚集诱导发光（AIE）发光团与硼酸酯H₂O₂响应单元偶联，合理设计了一种AIE活性荧光探针（TCFISB）。H₂O₂触发的硼酸酯氧化裂解恢复了供体-受体构型，激活了分子内电荷转移（ICT），并引发荧光开启响应。AIE特性允许在聚集或基质丰富的条件下稳定发射，减轻了传统荧光团的局限性。TCFISB能够在1–300 μM范围内灵敏、选择性地检测H₂O₂，检测限为0.47 μM，响应时间为15分钟。尽管许多报道的H₂O₂荧光探针依赖单一荧光读数并主要用于生物成像，但面向食品的探针，尤其是整合了视觉识别、荧光检测和智能手机辅助RGB定量的双模式系统，仍然有限。因此，TCFISB提供了一种面向食品的双模式策略，允许在食品基质中视觉区分H₂O₂，并在加标食品样品中实现了88.10%–112.92%的可接受回收率。在活细胞和斑马鱼中的荧光成像进一步证实了其对外源性和内源性H₂O₂的生物相容性和响应性。这些结果支持TCFISB作为一种实用的基于AIE的双模式探针，用于食品安全应用中H₂O₂的快速便携式监测。

**论文解读：基于AIE的双模式荧光传感平台用于食品中过氧化氢的快速可视化检测**

**研究背景与问题**
过氧化氢（H₂O₂）因其强氧化性和抗菌特性，在食品加工中广泛用于漂白和防腐，例如延长鲜切水果和水产品的保质期。然而，不当或过量使用会导致H₂O₂在食品基质中残留。摄入残留H₂O₂后，可诱导氧化应激，引发DNA损伤、蛋白质变性，并增加炎症相关疾病、心血管疾病和癌症的风险。因此，各国监管机构对食品中H₂O₂残留设定了严格限量，例如美国食品药品监督管理局（FDA）规定最大允许水平为0.5 ppm（14.7 μM）。尽管如此，H₂O₂的非法使用（如漂白动物源性食品和再水化产品）仍是公众担忧的问题，亟需开发快速、灵敏且可现场部署的残留H₂O₂检测方法。

传统检测方法（如电化学法、比色法、色谱法、化学发光法）虽在实验室条件下灵敏，但依赖专用仪器、熟练操作和耗时样品处理，难以用于快速筛查和现场分析。可视化探针平台通过将目标识别转化为可直接观察的光学信号，成为有前景的替代方案；智能手机辅助RGB分析可进一步将光学变化转为数字信号。然而，许多传统荧光探针存在聚集诱导猝灭（ACQ）问题，在复杂食品基质中信号衰减严重，限制了其实际应用。

**研究内容与结论**
研究人员针对上述问题，设计了一种基于聚集诱导发光（AIE）的双模式荧光探针TCFISB，用于H₂O₂的快速、可视化检测。该探针将AIE发光团与H₂O₂响应单元（苯硼酸频哪醇酯）偶联，通过H₂O₂触发的氧化裂解恢复供体-受体构型，激活分子内电荷转移（ICT），实现荧光开启响应。AIE特性确保了在聚集或基质丰富条件下的稳定发射，克服了传统荧光团的局限性。TCFISB在1–300 μM范围内对H₂O₂呈线性响应，检测限低至0.47 μM，响应时间仅15分钟。该探针不仅实现了溶液中的荧光检测，还通过裸眼视觉识别和智能手机辅助RGB分析提供了便携式定量/半定量读出的双模式策略。在啤酒、牛奶、鸡爪、猪皮和蘑菇等代表性食品基质中，加标回收率在88.10%–112.92%之间，与国标钛盐比色法结果一致，验证了其在实际食品样品中的适用性。此外，在HeLa细胞和斑马鱼模型中的荧光成像证实了TCFISB对外源性和内源性H₂O₂的响应性和生物相容性。该研究为食品安全监测中H₂O₂残留的快速便携式检测提供了实用工具。论文发表在《Food Frontiers》。

**关键技术与方法**
（不含试剂和具体培养、质粒构建步骤，注明样本来源）
1. **探针设计与合成**：通过三步有机合成制备TCFISB，将AIE活性荧光团（TCFIS）与苯硼酸频哪醇酯H₂O₂响应单元偶联，结构经核磁共振（NMR）和高分辨质谱（HRMS）确认。
2. **光谱表征与条件优化**：使用荧光光谱和紫外-可见吸收光谱分析探针光谱行为；优化pH、温度、反应时间对荧光响应的影响。
3. **选择性及干扰实验**：考察常见活性氧/氮物种、金属离子、生物硫醇及食品相关基质成分（蛋白质、氨基酸、糖类、防腐剂等）对探针选择性的影响。
4. **智能手机辅助RGB分析**：用智能手机拍摄探针溶液在不同H₂O₂浓度下的颜色变化，通过“拾色”应用程序提取RGB值，建立G/(R+B)与H₂O₂浓度的校准曲线。
5. **加标回收实验**：选取啤酒、牛奶、鸡爪、猪皮、蘑菇等食品样品（购自本地超市），经前处理后加入已知浓度H₂O₂，测定回收率并与国标钛盐比色法（GB 5009.226—2016）对比。
6. **细胞与斑马鱼成像**：利用共聚焦激光扫描显微镜（LSCM）对HeLa细胞和3天龄斑马鱼幼虫进行荧光成像，脂多糖（LPS）诱导内源性H₂O₂生成，N-乙酰半胱氨酸（NAC）作为ROS清除剂验证特异性。
7. **反应机理验证**：采用质谱分析反应产物，并结合密度泛函理论（DFT）计算分子轨道能级与电荷转移特性。

**研究结果**

**3.1 设计策略与光谱响应行为**
通过将AIE活性荧光团（TCFIS）与H₂O₂响应单元（苯硼酸频哪醇酯）偶联，构建了探针TCFISB。初始状态下，硼酸酯抑制ICT过程，导致弱吸收和低荧光背景；H₂O₂触发氧化裂解后，释放自由羟基，恢复供体-受体推拉电子结构，激活ICT，产生强烈红色荧光。AIE特性在甲苯/DMSO混合溶剂中通过荧光增强证实，为复杂基质中的稳定发射提供了基础。

**3.2 检测条件优化**
通过时间、温度和pH依赖实验，确定最佳反应条件为：反应时间15分钟、温度37°C、pH 7.4。在此条件下，荧光信号达到最大且稳定，适用于生物成像和食品检测。

**3.3 TCFISB对H₂O₂的分析性能**
在优化条件下，TCFISB在1–300 μM H₂O₂浓度范围内荧光强度线性增强（y = 1.17x + 433.85，R² = 0.996），检测限0.47 μM，响应时间15分钟。选择性实验显示，常见干扰物（活性氧/氮物种、金属离子、生物硫醇及食品基质成分）仅引起微弱荧光变化，而H₂O₂显著增强荧光，表明探针具有高选择性和基质耐受性。光稳定性测试显示连续照射下荧光衰减可忽略。批内、批间及批次间精密度实验的RSD值低，说明方法重复性好。

**3.4 智能手机辅助荧光与视觉检测**
随着H₂O₂浓度增加，探针溶液颜色从无色渐变为浅蓝色，可直接裸眼区分。智能手机拍摄后提取RGB值，G/(R+B)比值与H₂O₂浓度呈线性关系（y = 0.48 ? 0.000492x，R² = 0.994），实现了便携式定量/半定量分析。

**3.5 食品样品加标回收实验**
在啤酒、牛奶、鸡爪、猪皮、蘑菇中加标50和100 μM H₂O₂，TCFISB法的回收率为88.10%–112.92%，RSD 0.31%–6.19%；与国标钛盐比色法结果基本一致（RSD 0.99%–5.40%），证明该方法在多种食品基质中准确可靠。

**3.6 响应机理**
质谱分析显示，TCFISB与H₂O₂反应后出现TCFIS特征峰（m/z 373.2），证实了硼酸酯氧化裂解和1,6-消除释放TCFIS的机理。DFT计算表明，反应前后HOMO-LUMO能隙变化不大（2.59 eV→2.61 eV），荧光开启主要源于ICT恢复，而非能隙改变；空穴-电子分析进一步支持电荷转移特性。AIE特性通过限制分子内运动稳定了发射。

**3.7 HeLa细胞荧光成像**
CCK-8实验显示TCFISB对HeLa细胞毒性低（存活率>85%）。单独探针孵育细胞荧光微弱；加入外源性H₂O₂后红色荧光增强；LPS刺激内源性H₂O₂生成也引起荧光增强，而NAC预处理可抑制该信号，说明探针可敏感响应细胞内H₂O₂水平变化。

**3.8 斑马鱼荧光成像**
在斑马鱼模型中，外源性H₂O₂浓度增加导致红色荧光逐渐增强；LPS处理组荧光增强，NAC处理组荧光减弱，定量分析结果一致，证明TCFISB可在活体水平追踪H₂O₂变化。

**3.9 食品样品中H₂O₂的快速视觉筛查**
将蘑菇、鸡爪、猪皮浸入3% H₂O₂溶液模拟污染，再与TCFISB孵育，处理后样品呈现可见蓝色，而对照样品无明显变化，实现了无需仪器的直接视觉区分，适用于食品H₂O₂残留的快速初步筛查。

**总结与结论**
总结讨论部分：研究人员通过实验验证了TCFISB的响应机制、分析性能、生物成像能力及食品实际应用性。该探针结合AIE稳定发射和ICT响应开启，克服了传统荧光探针在复杂基质中的信号衰减问题，并通过智能手机RGB分析实现了便携式检测。双模式策略（荧光+视觉）为食品中H₂O₂残留的现场快速筛查提供了新工具。

研究结论翻译如下：总之，研究人员开发了一种基于AIE的荧光探针TCFISB，通过反应调控ICT实现H₂O₂的快速检测。硼酸酯识别单元赋予了对H₂O₂的选择性响应，而AIE特性有助于在聚集和基质丰富的条件下稳定荧光输出。TCFISB在1–300 μM范围内对H₂O₂呈线性响应，检测限为0.47 μM，响应时间为15分钟。除溶液中的荧光检测外，TCFISB还能在无需复杂仪器的情况下实现食品样品中H₂O₂的视觉区分。智能手机辅助RGB分析进一步将光学响应转化为定量或半定量信号，提供了便捷的便携式读出。在代表性食品样品中的加标回收实验得到了88.10%–112.92%的回收率和可接受的RSD值，与标准钛盐比色法结果基本一致，支持了所提出方法在食品基质中检测H₂O₂的可行性。此外，在活细胞和斑马鱼中的荧光成像显示，TCFISB能够以可接受的生物相容性响应外源性和内源性H₂O₂。这些结果表明，TCFISB为食品安全分析中H₂O₂的快速检测提供了一种实用的荧光/RGB双模式方法。