双功能碳点/单层 Ti?C?T? 异质结材料应用于组胺的高灵敏荧光检测和海鲜新鲜度的视觉监测

《Food Packaging and Shelf Life》：Dual-functional carbon dots/monolayer Ti 3C 2T X heterojunction material applying for highly sensitive fluorescence detection of histamine and visual monitoring of seafood freshness

　　

本研究开发了一种创新的具有双重功能的零维/二维碳点/单层Ti3C2TX (CDs/mon.Ti3C2TX) 异质结材料，用于组胺（HA）的灵敏荧光检测和食品新鲜度的可视监测。通过静电吸附和氢键作用，碳点均匀锚定在单层Ti3C2TX表面，形成稳定的0D/2D异质结结构。这种结构不仅促进了高效的电荷分离，还增强了对组胺的相互作用和富集，从而提高了荧光响应。在荧光检测模式下，CDs/mon.Ti3C2TX异质结在0.01–5 mg/mL浓度范围内对组胺表现出优异的线性响应（R2 = 0.9925），检测限为0.0065 mg/mL，展现出可接受的灵敏度和良好的稳定性。此外，该异质结能够通过自然光下明显的颜色变化实现食品新鲜度的可视监测。通过将基于荧光的组胺检测与可视新鲜度监测相结合，本研究为食品中生物胺检测和易腐海产品新鲜度评估提供了一种高效且实用的策略，突显了其在食品质量和安全评估中的广阔应用前景。

组胺（HA）是一种由细菌通过组氨酸脱羧酶催化组氨酸脱羧反应产生的关键生物胺，广泛分布于鱼类、肉类和发酵产品等富含蛋白质的食品中。组胺的积累与原料新鲜度和储存条件密切相关。特别是在冷链中断、加工不当或长期储存过程中，组胺水平可能迅速升高，尤其在富含组氨酸的水产品中尤为显著。因此，组胺含量被广泛用作评估鱼、虾等海鲜新鲜度的重要指标，同时也是食品安全监测的关键参数。摄入含有过量组胺的食品可能引发组胺中毒，出现腹泻、恶心、呕吐和皮疹等临床症状，对消费者构成严重的健康风险。为保护公众健康，全球已建立组胺水平的监管标准。例如，美国食品药品监督管理局（FDA）规定海产品中组胺的最大允许水平为35 mg/kg，欧洲食品安全局（EFSA）的限值100 mg/kg，而中国国家标准GB 2733–2015规定高组胺鱼类（如金枪鱼、鲭鱼、沙丁鱼）的组胺限值为400 mg/kg，其他相关产品的限值为200 mg/kg。因此，迫切需要快速、灵敏、准确的现场组胺检测方法，以确保水产品的安全性和质量。此类方法的开发对于提高食品安全风险管理、保障整个食品供应链的公众健康具有重要意义。

传统的组胺检测方法，如毛细管电泳（CE）、高效液相色谱法（HPLC）、酶联免疫吸附测定（ELISA）和各种电化学技术，以其高准确性和可靠性而著称。然而，这些方法通常需要昂贵的仪器、复杂的样品前处理和专业操作人员，限制了其在食品分析中进行快速现场监测的应用。近年来，基于荧光的传感策略因其响应快速、灵敏度高和操作简便而受到越来越多的关注。已探索了多种荧光探针，包括碳点（CDs）、金属团簇和共价有机框架（COFs），用于组胺分析。例如，Han等人（2018）开发了具有强光致发光特性的自组装铜纳米团簇（CuNCs），用于组胺的荧光检测，并构建了用于食品中组胺比色检测的发光试纸条。其结果表明，组胺通过其咪唑基团与CuNCs的金属中心特异性相互作用，破坏其有序结构，导致荧光猝灭并伴随明显的颜色变化（从橙黄色变为蓝色），检测限为60 nM。同样，Zhang等人（2020）将硫掺杂碳点纳入COFs中，增强了蓝色荧光，实现对组胺的灵敏荧光猝灭响应。最近，分子印迹蓝/橙色MXene量子点与双发射比率荧光和智能手机辅助RGB分析相结合，实现了对组胺的良好灵敏荧光检测和可视定量分析。尽管在灵敏度、选择性和创新纳米结构设计方面取得了显著进展，但目前的基于荧光的传感系统仍面临探针稳定性、抗干扰能力和在复杂食品基质中实际应用性方面的挑战。因此，开发具有稳健稳定性、优异选择性和适应性的新型荧光探针，用于快速、可靠和现场的组胺检测，仍然是一项紧迫且重要的挑战。

除了组胺的定量检测外，快速评估海鲜新鲜度对于食品质量和安全控制同样至关重要。在海鲜腐败过程中，复杂的生化反应和微生物活动导致生物胺、氨、三甲基胺和其他挥发性碱性化合物逐渐积累，同时伴随pH值和挥发性盐基氮（TVB-N）等理化指标的变化。传统的新鲜度评估方法能够可靠地反映食品质量，但通常不适合快速和直观的现场监测。因此，近年来基于荧光或颜色变化的可视传感策略受到了越来越多的关注。然而，开发一种能够直观监测海鲜整体新鲜度的传感平台仍然具有挑战性。开发一种多功能传感材料，将组胺的荧光检测与海鲜新鲜度的可视监测相结合，对于实际的食品质量评估具有重要意义。

碳点作为零维（0D）碳基纳米材料的代表，表现出可调的光致发光、高光稳定性和出色的电子供体/受体特性，这归因于显著的量子限域效应和边缘效应。与石墨烯相比，碳点具有更高的边缘缺陷密度和更大的结构异质性，这不仅增强了其量子产率，还提供了丰富的表面活性位点，用于催化和界面反应。这些结构和光学特性促进了碳点在生物成像、环境监测和食品安全分析等领域的广泛应用。然而，在实际系统中，碳点由于其高表面能而倾向于聚集，导致分散性降低和光学性能恶化。这种固有局限性极大地限制了其在高灵敏度检测中的应用。因此，构建能够稳定锚定碳点的异质结构已成为提高其分散性、界面稳定性和整体传感功能的关键策略。MXenes是一类通过选择性蚀刻MAX相衍生的二维（2D）过渡金属碳氮化物，具有高电导率、丰富的表面终止基团（-O、-OH、-F）和可调的层间结构，使其在储能、催化和传感应用方面具有实用性。然而，多层MXenes存在层堆叠、可及表面积有限和界面活性位点暴露不足等缺点，这些因素共同限制了其与纳米组分的相互作用效率。相比之下，单层Ti3C2TX具有更大的可及比表面积、暴露的终止基团和更高效的电子/离子传输通道，所有这些都显著增强了其界面结合能力和载流子传输效率。鉴于碳点在固态或高浓度条件下倾向于聚集并经历荧光或磷光猝灭，将碳点锚定在mon.Ti3C2TX上为此类挑战提供了稳健的解决方案。mon.Ti3C2TX广泛且原子级平坦的二维表面不仅有效地抑制了碳点的聚集，还提供了高导电平台，促进了MXene基质与碳点之间的高效能量和电荷转移。因此，这种0D/2D异质结复合材料显著增强了碳点的光学稳定性和传感响应性，为高灵敏度荧光检测提供了有前景的基础。

在本研究中，开发了一种0D/2D CDs/mon.Ti3C2TX异质结材料，用于组胺的灵敏检测和海鲜新鲜度的可视监测。在该系统中，碳点通过静电相互作用和氢键均匀锚定在mon.Ti3C2TX表面，从而形成稳定且鲁棒的异质结结构。这种构型不仅有效地抑制了碳点的聚集和Ti3C2TX的堆叠，还利用Ti3C2TX的高导电网络促进快速电荷转移，从而显著提高了对组胺的响应速度和灵敏度。密度泛函理论（DFT）计算进一步证明了组胺在CDs/Ti3C2O2顶点的优先吸附机制，该位点是组胺的优选吸附位点，表现出最稳定的热力学结合构型，为实验观察到的增强灵敏度和选择性提供了理论支持。重要的是，这种CDs/mon.Ti3C2TX异质结探针能够在海鲜腐败过程中实时、可视地评估海鲜新鲜度。因此，这种传感策略成功地将代表性腐败生物标志物的定量分析与复杂食品系统中的可视和实时新鲜度监测相结合，突显了异质界面协同效应在海产品质量和安全评估中的实际应用价值。

试剂和仪器部分：组胺（HA，99%）购自阿拉丁生化科技（上海）有限公司。无水柠檬酸（CA，≥98%）、4-(二甲氨基)水杨醛（≥98%）、氟化锂（LiF，99%）、多巴胺（DA，98%）、组氨酸（His，98%）、丙氨酸（Ala，99%）、三氯乙酸（C2HCl3O2，98%）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，99%）购自上海麦克林生化科技有限公司。牛血清白蛋白（BSA，98%）购自天津索莱姆生物科技公司。

纳米材料的结构和形貌特征部分：通过扫描电子显微镜（SEM）表征了Ti3AlC2的形貌。如图2A所示，Ti3AlC2表现出定义明确的层状六边形结构，与其典型形貌特征一致。这种结构稳健性为后续选择性蚀刻过程合成Ti3C2TX提供了理想的基础。多层Ti3C2TX（mul.Ti3C2TX）纳米片的SEM图像（图2B）显示，其特征层状结构基本保留，表现出典型的……

结论部分：本研究展示了新型0D/2D CDs/mon.Ti3C2TX异质结探针的成功开发，用于组胺的灵敏检测和海鲜新鲜度的可视监测。碳点锚定在mon.Ti3C2TX表面上不仅有效放大了荧光信号以增强检测灵敏度，还解决了Ti3C2TX固有的堆叠倾向，提高了异质结的稳定性及检测的可靠性。所得到的CDs/mon.Ti3C2TX异质结……

CRediT作者贡献声明：王硕：项目管理，资金获取。李惠林：形式分析。胡晓春：软件，方法学。王若同：可视化。潘明飞：写作–审阅与编辑，资源，资金获取。高梦梦：写作–初稿，验证，方法学。张若曦：数据整理。宋一博：形式分析。

伦理批准与参与同意：不适用。

资金支持：本研究受国家自然科学基金（编号：32572695和32272416）及天津食品质量与健康重点实验室项目（编号：TJS202503）支持。作者感谢天津科技大学现代分析技术中心在仪器支持方面提供的帮助。

利益冲突声明：作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响到本文所报告的工作。

孟梦梦|张若曦|宋一博|李惠林|胡晓春|王若同|潘明飞|王硕
天津科技大学食品营养与安全国家重点实验室，天津300457，中国