纤维素基胺荧光比率探针的可视化虾蟹新鲜度检测应用

　　中科院张军、王树和张金明课题组利用醋酸纤维素链(CA)上的多羟基基团，将异硫氰酸荧光素(FITC)和原卟啉(PpIX)修饰其上，构筑了对胺宽浓度范围内(5  -2.5×104 ppm)超灵敏、快速且线性响应的材料，成功应用于海鲜实时、可视化新鲜度检测。文章指出：得益于纤维素衍生物良好的溶解性和易加工性，可以将上述材料加工成包括油墨、涂料、柔性膜和纳米纤维膜等多种形式。而本文将上述胺比率探针制备成电纺纳米纤维膜，作为低成本、高对比度、反应灵敏的荧光商标来使用，直观监测虾蟹的新鲜度。相关工作发表在Nat. Commun.上（DOI: 10.1038/s41467-019-08675-3）。

　　应对日益突出的食品安全问题，寻找一种简单、快速、低成本、准确的监测系统变得越来越紧迫。有机胺通常产生于食物腐败或内源性组织代谢过程中，微生物对氨基酸的降解。因此有机胺可以作为重要的生物标志物，用来监测食品质量和疾病的辅助诊断。目前，检测有机胺的方法包括液相色谱、电化学、导电聚合物材料和光学传感器。其中，光学传感器具有灵敏度高、选择性好的优势。然而,传统的光学传感器大都只依赖一个发光基团，且荧光强度易受发光物浓度、仪器参数设置、温度、湿度等因素影响导致重复性、灵敏度、准确度及人眼识别度不够理想。且多是基于小分子的探针，工作于有机溶剂中，具有高毒性和较差的可加工性能。

　　比率荧光系统是一种潜在理想的光学传感器，它的两个发光基团作为被分析物内参比和被分析物指示剂，起到内部自动校准效果，抗干扰能力强、精度高、且可裸眼观察荧光颜色变化。然而，合成困难，加工性能差，高成本等因素限制了它实际应用范围。

　　为此，张军、王树和张金明课题组提出利用异硫氰酸荧光素(FITC,绿色,生物胺指示剂)和原卟啉(PpIX，红色，作为内部参照)分别与醋酸纤维素链共价结合，通过CA-FITC和CA-PpIX混合比例的调和，得到一系列初始荧光颜色可调的比率式荧光传感器，实现海鲜食品新鲜度的可视化检测。对比总挥发性盐基氮(TVBN)和菌落形成单位(CFU)这两种标准检测方法，验证了上述比率式荧光材料检测的可靠性和准备性。

图1. CA-FITC、CA-PpIX合成路线及不同混合比时发光颜色对比图

　　比率荧光材料构造方面：FITC和PpIX是两种常见的有机荧光基团，前者作为生物胺指示剂，后者充当内参比。一般而言，它们因平面π共轭结构，往往导致严重的聚集荧光淬灭现象（ACQ），固态荧光微弱。而本文的方法便是将荧光基团固定，并用纤维素骨架稀释聚集效应的影响，以提高其荧光量子产率。CA-FITC和CA-PpIX的激发谱存在部分重叠，重叠谱段位于350 nm 到525 nm之间，意味着在此激发波段内上述两种发光物质可以同时被激发。而它们的发射波长并无重叠，具有鲜明易辨的荧光颜色，分别位于475–600 nm（绿色）和600–700 nm（红色）处。因此，根据不同的混合比例，可以得到从红色到绿色系列不同的初始发光颜色。

　　由于键入醋酸纤维素的荧光基团含量低，所以CA-PpIX和CA-FITC仍然保留着纤维素衍生物的易加工性能，张军等人以mCA-FITC/mCA-PpIX = 1:5的比例混配纤维素基双发射荧光材料，溶解后制成可打印发光油墨，塑料发光图层、柔性透明薄膜和纳米纤维膜。纤维素拥有无毒、生物可降解、低成本、良好机械性能的独特优势，预示着所得纤维素基双荧光发射衍生物材料在智能包装和标签领域具有重要的应用价值。

图2.不同加工方式的荧光双发射材料光学性能

　　胺检测研究方面：CA-FITC和CA-PpIX以质量比1:5混合时，材料表现出肉眼可见的红色荧光。当暴露在氨氛围下，FITC去质子化，开环，绿色荧光显著增强，占主导地位，荧光颜色由起始时红色变为绿色。随着氨浓度逐渐增加，FITC荧光不断增强，而PpIX则无明显变化，综合表现为氨浓度在5.0 ppm  -2.5 × 104 ppm范围内，IFITC/IPpIX与氨浓度的对数呈良好的线性关系，可实现氨的定量检测。同时，随着氨浓度的增加，材料荧光颜色产生由红色-橙色-黄色-绿色的不断变化。在经过60︒C加热，或真空除气处理后，材料又可恢复起始荧光颜色，具有良好的可逆性。在响应速度方面，实验表明，上述材料制成纳米纤维薄膜时，一滴氨水滴在其表面，在不到1 s内薄膜即可做出响应。除了苯胺和尿素外，其他有机胺如NHEt2、吡咯烷、苄胺，吗啉，腐胺，组胺和肼均表现出类似的响应性能。另一方面，NH3、NHEt2、腐胺、组胺和NEt3是由氨基酸降解而释放的生物胺重要成分，因此，其可作为监测代谢过程的有效指标。

图3. 有机胺比率荧光响应机理示意图

　　鉴于前期的结果，张军等人进一步研究了其监测海鲜新鲜度的效果。以虾为模型，将上述材料制成纳米纤维膜标签，置于虾盒内于不同天数和温度下考察。样品分别于25︒C和4︒C放置一天后，标签荧光颜色分别变为浅绿色和黄色。另一组-16︒C下放置5天后，标签荧光颜色为黄色，而作为对比的标签则无荧光颜色变化。显然红色代表新鲜，黄色代表轻微腐败，绿色代表腐败。此外，同TVBN和CFU这两种标准监测方法对比，所得数据均证实，此材料具有监测海鲜新鲜度的良好的性能。

图4：纤维素基荧光双发射材料制成商标实时监测海鲜新鲜度效果图

　　小结：中科院张军、王树和张金明课题组通过在纤维素上分别修饰异硫氰酸荧光素（FITC）和原卟啉(PpIX)的方法构筑了超灵敏、荧光颜色可辨、可定量、可逆、快速响应的有机胺比率荧光探针，并将其制成可打印发光油墨，塑料发光图层、柔性透明薄膜和纳米纤维膜性能。其中以纳米纤维膜标签的形式测试了其海鲜新鲜度检测性能，以更快、更方便、更低成本、更直观的方式实现TVBN和CFU这两种标准监测方法的准确度。