天科大轻工学院在生物质感应器领域研究取得新进展

发布时间: 2023-04-08 16:09:32 浏览次数 : 654 来源:天津科技大学

近日，天津科技大学轻工科学与工程学院针对包装气体检测领域所面临的问题进行了研究，第一次使用生物质标签实现了SO2气体的检测，并用于智能包装实现食品货架期预测。相关论文以题为“A Biomass-based Colorimetric Sulfur Dioxide Gas Sensor for Smart Packaging”发表在纳米领域的顶级期刊《ACS Nano》。该论文第一作者为天津科技大学2018级本科毕业生袁留波，现就读于四川大学轻工科学与工程学院，天津科技大学轻工科学与工程学院教师阎瑞香和高萌为共同通讯作者，天津科技大学为第一作者单位和通讯作者单位。

图1.生物质色素的制备及应用示意图(A)基于牵牛花色素的SO2检测标签的制备工艺及其对SO2气体的比色响应的示意图;(B)在长期储存后，不含(i)和含(ii)痕量SO2气体的包装中葡萄的新鲜度和PD-SDLs的颜色变化，这表明了它们在食品质量预测中的应用。

比色传感器在食品质量的监测领域有着非常广泛的应用，有关基于pH、O2、CO2和挥发性盐基氮的比色传感器被大量开发，但针对SO2比色传感器的研究却鲜有报道。作者开发了一种安全环保、灵活性大、稳定性好、高灵敏度的基于天然牵牛花染料(PD)全组分可降解的SO2比色检测标签(PD-SDL)。该标签在不同浓度的SO2气体环境中会显示出不同的颜色变化，随着SO2浓度从0 ppm增加到25 ppm，PD-SDL逐渐由红色变为无色，总色差(∆E)调制可达74.8，检测限可降至1.52 ppm。该生物质标签可用SO2气体浓度检测和食品货架期预测，在日常生活、食品储存和供应链中具有潜在的应用价值。

图2.生物质色素的气体变色响应(A) PD的提取工艺示意图;(B)不同天然染料溶液暴露于SO2气体前后的∆E值(左)和光学图像(右);(C) PD与其他天然染料对SO2气体的∆E调制能力比较。

图3.(A) PD在粉末和溶液形式下的SO2比色响应;(B)牵牛花染料的检出下限试验;(C)不同SO2浓度下PD溶液的紫外可见吸收光谱;(D)不同SO2浓度下吸光度(λ="520" nm)的拟合图;(E) PD溶液暴露于SO2气体前后的FTIR光谱;(F)牵牛花染料的SO2比色响应的反应机制。

图4.(A) PD-SDL的制造工艺示意图;(B) PD-SDL的光学图像，表现出良好的灵活性;(C)显示均匀分层形态的PD-SDL的截面SEM图像;(D)不同SO2浓度下PD-SDL颜色变化的照片;(E)不同层数PD-SDL的∆E值与SO2浓度的关系;(F) PD-SDL的层数对相应的∆E调制能力的影响;(G) PD-SDL的∆E值随反应时间的变化，插图是光学图像，显示了与二氧化硫气体反应前后的颜色变化;(H)热稳定性试验。

图5.(A) PD-SDL的SO2气体检测及葡萄新鲜度评估监测系统方案;(B)葡萄包装内SO2浓度随时间的变化;(C) SO2气体对葡萄商品率和腐烂率的影响作为储存时间的函数;在含有SO2气体(D)和不含SO2气体(F)的环境中，葡萄包装内附着的PD-SDL的∆E值随贮藏时间的变化规律，插图是在相应时间拍摄的照片。PD-SDL在(E) SO2和(G) SO2无包装葡萄品质评估中的实际应用，PD-SDL的∆E值和葡萄的商品率在对应的照片下说明。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c00530