铜纳米团簇的双配体工程实现用于虾pH响应型新鲜度监测的“开启式”荧光标签

《Food Chemistry》：Dual-ligand engineering of copper nanoclusters enables “turn-on” fluorescence label for pH-responsive freshness monitoring of shrimp

　　

• •
  双配体工程显著提升了DPA-KA-CuNCs的量子产率。
• •
  通过尺寸限域效应、表面钝化和增强的配体到金属电荷转移（LMCT）改善了光致发光性能。
• •
  pH响应的"开启型"荧光实现了对挥发性碱性氮化合物（VBNs）的高灵敏检测。
• •
  基于纸张的荧光标签实现了快速直观的比色传感。
• •
  实时监测虾的新鲜度，与挥发性盐基氮（TVB-N）具有良好的相关性（R² = 0.98）。

引言

食品新鲜度是决定质量、安全性和消费者接受度的关键因素，尤其对于海鲜等高度易腐产品而言（Xu, 2026）。海鲜新鲜度评估的传统方法主要依赖微生物检测和理化分析。然而，这些技术通常耗时费力、具有破坏性，且不适用于实时监测应用。为克服这些局限性，电子鼻、近红外光谱和高光谱成像系统等多种快速无损传感技术已被越来越多地应用于新鲜度评估（Hussain et al., 2026）。尽管这些技术有效，但它们通常依赖于昂贵的仪器、专业的操作技能和复杂的数据分析流程，这大大限制了其在现场新鲜度监测中的实际应用（Lin et al., 2024）。因此，开发一种简单、快速、准确且经济有效的实时海鲜新鲜度评估策略仍然十分迫切。

近年来，基于pH响应传感的智能包装因其能够视觉追踪海鲜劣化过程中释放的挥发性碱性氮化合物（VBNs），如氨（NH₃）、腐胺和三甲胺（TMA）等腐败相关化合物，而成为实时食品新鲜度监测的一种有前景的策略（Hu et al., 2025; Xu et al., 2026; Zhang et al., 2022b）。这些碱性挥发性物质的积累改变了包装环境的内部pH值，从而触发整合pH敏感指示材料的包装系统产生不同的颜色变化，使消费者能够快速直观地评估新鲜度（Hu et al., 2025; Xu, 2026）。因此，pH响应指示材料在智能新鲜度监测应用中引起了广泛的研究兴趣（Xu, 2026）。因此，越来越多地关注高性能pH响应传感材料的开发。其中，荧光指示材料因其高灵敏度、快速响应和可调荧光输出而引起了特别的兴趣（Khan et al., 2024; Xue et al., 2025）。因此，探索新型荧光传感材料对于推进智能新鲜度包装系统的功能和多样性具有重要的意义。

铜纳米团簇（CuNCs）作为有前景的荧光纳米材料，因其显著的量子限域效应、超小尺寸、高表面积体积比、优异的生物相容性和可调的理化特性，在生物传感应用中具有特别的吸引力（Kang & Zhu, 2019）。此外，与贵金属纳米团簇和传统量子点（QDs）相比，CuNCs具有地壳丰度高、成本低、铜毒性相对较低以及合成简单高效环保等优势。CuNCs的柔性配体工程进一步提供了一种有效调节其表面结构和荧光特性的策略，从而实现改进的结构稳定性、增强的目标选择性和可调的光致发光行为（Liu et al., 2023）。然而，由单一配体稳定的CuNCs通常表现出有限的光致发光量子产率和较差的结构稳定性，这在使用单一组分探针时可能会降低荧光传感系统的灵敏度和可靠性。因此，人们投入了大量努力，通过配体优化（Tang et al., 2026）、双配体（Zhang et al., 2026）、自组装纳米材料（Han et al., 2018）、表面限域效应（Biswas et al., 2025）、空间限域效应（Wei et al., 2023）和聚集诱导发光增强（AIEE）效应（Tang et al., 2017）来提高CuNCs的荧光性能和稳定性。

在这些体系中，由双配体稳定的CuNCs通常表现出增强的稳定性和不同的理化性质，因为两种配体的共存提供了多样的配位环境并调节金属原子的表面暴露程度。特别是，硫醇盐、膦和炔基配体的组合已被广泛应用于CuNCs的合成和调节中。例如，Fan等人（2022）报道了一种由牛血清白蛋白和L-组氨酸（BSA-CuNCs@L-His）组成的双配体CuNCs系统用于多西环素检测。L-组氨酸配体的引入显著提高了CuNCs的荧光量子产率（3.47%）和稳定性，这主要归因于配位诱导聚集促进了较大尺寸纳米团簇的形成。此外，建立了一种由聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和改性半胱氨酸（Cys）支撑的CuNCs体系，采用"关闭型"传感策略检测Sn⁴⁺。Cys-PVP-CuNCs的荧光强度比PVP-CuNCs提高了10倍，量子产率从6.58%增加到23.83%。这种增强归因于半胱氨酸与CuNCs表面之间形成的CuS相互作用，伴随着富电子巯基向铜中心的电子供给，从而增强了荧光发射（Pu et al., 2022）。在我们课题组先前的工作中，合成了由PVP和甲基硫黄素（MTU）封端的CuNCs（PVP-MTU-CuNCs），采用"关闭型"传感策略评估鲈鱼的新鲜度。得益于协同配体调节效应，CuNCs的绝对量子产率从4.60%显著提高至43.76%（约9倍），超过大多数此前报道的金属纳米团簇（MNCs）（Zhang et al., 2026）。此外，Khan等人（2024）设计了一种超稳定、高量子产率的精氨酸（Arg）修饰2,4-二氨基甲苯（ATP）CuNCs。这些受保护的Arg-ATP-CuNCs在室温下10个月后仍保留了80%的荧光强度。这些发现表明，双配体策略可以通过改善表面钝化、电子耦合和辐射跃迁路径来协同增强CuNCs的光致发光效率，同时通过抑制表面氧化、配体脱附和荧光猝灭来促进长期稳定性。尽管上述研究表明双配体修饰在改善光学性能方面是有效的，但"关闭型"传感策略本质上受限于低信噪比和易受非特异性猝灭影响，这可能会损害复杂环境中的检测准确性。在此背景下，由双配体工程实现的"开启型"传感策略对于可靠的荧光检测非常理想。

因此，开发了一种基于双配体工程CuNCs的有效"开启型"荧光传感标签，具有高量子产率（QYs）、优异稳定性和低成本，用于实时监测虾的新鲜度。如图1所示，首先合成曲酸（KA）稳定的CuNCs，然后通过简便环保的一锅法策略用D-青霉胺（DPA）进行功能化，制备出高度发光的DPA-KA-CuNCs，其对VBNs表现出敏感的pH响应"开启型"荧光响应。同时，通过对其结构和光学性质进行全面表征，系统地阐明了荧光增强和传感机制。随后，通过简便的浸渍策略制备了基于纸张的荧光传感标签，使能够通过不同的荧光颜色变化实现NH₃蒸气的视觉检测。此外，这些标签被应用于25 °C和4 °C条件下虾新鲜度的实时监测，表现出显著且渐进的颜色变化。基于这些观察，建立了一套标准化的比色图表，以便于快速直观的新鲜度评估。总体而言，所开发的传感平台提供了一种简单、灵敏且无损的方法，用于水产品新鲜度的动态和半定量监测，在智能食品质量管理中具有巨大的应用潜力。

章节摘要

材料、试剂和仪器

曲酸（KA，≥99%）、D-青霉胺（DPA ≥98%）、硝酸铜（Cu(NO₃)₂·3H₂O，99.0%）、氢氧化钠（NaOH）、盐酸（HCl）、亚精胺、甲胺（MA）、二甲胺（DMA）、酪胺、三甲胺（TMA）、精胺、氨水（NH₃·H₂O）和组胺，均购自阿拉丁生化科技（上海）有限公司。尸胺和腐胺购自Sigma-Aldrich公司（美国密苏里州圣路易斯）。氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、硫酸钠（Na₂SO₄）、尿素，

DPA-KA-CuNCs的表征

在本研究中，通过简单环保的一锅法策略快速合成了高亮DPA-KA-CuNCs。为实现最佳荧光性能，系统优化了DPA浓度、KA浓度、反应温度、反应时间和pH值等关键参数，最优条件分别为20 mM、25 mM、35 °C、1小时和pH 8（图2A至1E）。如图1F和G所示，制备的KA-CuNCs在可见光下呈现黄色浑浊外观

结论

总之，开发了一种双配体工程策略，构建了高发光DPA-KA-CuNCs和pH响应荧光标签，用于水产品新鲜度监测。引入DPA通过加速成核产生超小团簇（~2 nm）、增强量子限域效应以及通过CuS配位钝化表面缺陷来提高荧光。同时，增加的表面电荷和协同配体网络抑制了聚集并限制了配体

CRediT作者贡献声明

Yuandong Lin：撰写-初稿、可视化、方法论、研究、形式分析、数据整理、概念构思。Chunfeng Zhang：方法论、研究、形式分析、数据整理。Jiangbo Li：撰写-审阅与编辑、研究、形式分析、概念构思。Xiaobo Zou：监督、概念构思。Zuohan Zhang：方法论、数据整理、概念构思。Shaolin Deng：资源、方法论、数据整理。Di Zhao：软件、方法论、数据

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益关系可能影响本研究中报告的工作。

致谢

本研究得到了广东省重点研发计划（2025B0202120003）、NEEII（佛山）关键技术研究开发计划（JBGS2025006）、国家重点研发计划（2023YFD2101000，2023YFD2101002）、广东省科技创新青年人才项目（NYQN2024003）以及TCL青年学者基金的资助。

Yuandong Lin|Chunfeng Zhang|Jiangbo Li|Xiaobo Zou|Zuohan Zhang|Shaolin Deng|Di Zhao|Jun-Hu Cheng