《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：An intelligent smartphone-gel fluorescent sensing platform for on-site detection of slight pH variation in food samples and 2D/3D anti-counterfeiting applications
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设计了一种基于ICT效应的多功能pH荧光探针NPC，结合琼脂糖水凝胶和智能手机检测平台，实现pH 5.00–7.00范围的高灵敏度、可重复检测，并拓展至3D防伪和信息安全应用。
郭丹丹|赵晨曦|王峥|张楠|李兆洲|张文芬|张淑生|牛华为
河南科技大学食品与生物工程学院，中国洛阳471003
摘要
饮料中的pH值不仅仅是酸度和碱度的简单指标，它还是影响饮料感官特性、营养价值、保质期、健康效果以及生产过程的关键参数。适当的pH控制对于生产高质量、安全且受消费者欢迎的饮料至关重要。因此，建立一个便捷、快速且准确的pH响应荧光传感平台是非常必要的。本文设计并合成了一种基于分子内电荷转移（ICT）效应的多功能pH响应荧光探针（NPC）。虽然螺噁唑烷开关机制已被广泛研究，但本研究的核心创新在于将这种分子探针与琼脂糖水凝胶基质和基于智能手机的便携式检测设备进行了协同整合。借助智能手机-凝胶荧光传感检测平台，NPC探针能够实现对饮料样品中微小pH变化的荧光和视觉双重模式分析。琼脂糖凝胶指示剂在pH 5.00–7.00范围内具有良好的线性关系，从而能够快速、准确且定量地检测饮料中的微小pH变化。此外，该探针具有优异的回收率（95.7–106.7%）和低RSD值（<3.52%）。除了食品分析之外，水凝胶的可塑性和探针的可逆荧光响应还使其能够应用于安全领域，包括信息加密和3D防伪结构。此外，NPC探针在液态和半固态条件下表现出的优异光学和荧光特性使其在高端安全领域（如信息加密和2D/3D防伪应用）具有巨大潜力。
引言
pH是衡量酸度或碱度的关键指标，在化学、生物医学、环境监测、工业和研究领域都具有重要意义[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。在食品工业中，pH可用于检测肉类和海鲜产品的新鲜度、质量、腐败程度和口感[8]、[9]、[10]、[11]。pH还指示饮料的健康特性：过低的pH值会减少营养成分，而过高的pH值会抑制有益微生物和消化酶[12]。极端的pH值还可能对包装材料产生不良影响[13]、[14]。pH波动会影响味道、消化、新陈代谢、牙齿健康和营养吸收[15]、[16]、[17]。因此，pH在食品加工、储存、营养和感官质量方面起着核心作用。能够快速准确地监测pH值有助于优化食品的功能特性、提高营养价值并延长保质期，最终提升整体食品质量并确保食品安全。
迄今为止，已经建立了多种测量食品样品pH值变化的方法，包括微电极[18]、酸碱指示剂[19]、光谱学[20]、电化学[21]、pH玻璃电极电位[22]、智能食品包装指示剂[23]和电位滴定[24]。尽管这些方法已被广泛应用，但它们也存在一些局限性，如操作复杂、易受干扰、对仪器依赖性强、预处理程序繁琐、分析周期长以及样品易受损，这使得它们不适合快速
现场检测。相比之下，荧光检测在某些现代应用中具有显著优势，因为其具有高灵敏度和选择性、出色的光稳定性、快速响应、
原位监测能力和简单的操作流程[25]、[26]。随着研究的深入，已经开发了一系列用于检测水质、土壤、血清、生物样品、肉类和水产品的pH荧光探针[9]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。然而，目前报道用于检测饮料pH值的荧光探针极为罕见，更不用说实现pH值的添加、恢复和可视化了[33]、[34]、[35]。
据我们所知，已有关于pH检测荧光探针的报道[27]、[31]、[32]、[33]、[36]、[37]、[38]，但大多数方法基于液体，这些方法存在挥发性、稳定性差和储存挑战（表S1）。液体的挥发性导致荧光探针稳定性差，储存要求高。此外，液体的流动性使得它们难以固定，从而限制了其实际应用。相比之下，固态荧光检测具有显著优势[39]、[40]、[41]。然而，现有的荧光薄膜生产成本高且制备耗时，而滤纸指示剂依赖于主观的颜色变化进行定性或半定量检测，缺乏精确的数值结果。此外，基于纸张的载体机械强度低、吸附能力有限、防水性差、探针分布不均，导致储存过程中出现颜色褪色和背景干扰等问题。螺噁唑烷机制是许多pH响应探针的基础，其基本开关特性已被广泛研究，并应用于非线性光学[42]、生物成像[43]和多态分子系统[44]等领域。最近，其在基于纸张的防伪中的应用潜力也得到了验证[45]。然而，尽管取得了这些进展，将这一被充分理解的分子机制转化为结合稳定固态固定、便携式定量检测和多功能实际应用的实用平台仍然是一个挑战。鉴于上述情况，选择合适的荧光探针和载体对于提高检测性能、扩展应用范围和确保安全性至关重要。琼脂糖是一种来自海藻的天然多糖，由于其环保性、无毒性、生物相容性、水稳定性和机械强度[46]、[47]、[48]，被广泛应用于食品、日常生活用品和生物医学领域。琼脂糖凝胶指示剂标签是一种新型材料，兼具发光聚合物溶液和薄膜的优点[49]、[50]，具有更高的精度、稳定性和重复性。与智能手机传感平台结合使用，它们可以实现实时数据收集和通过RGB颜色分析进行定量检测，使其便携、智能、低成本，并在食品安全应用中具有广阔前景。
在这项工作中，设计并合成了一种多功能pH响应荧光探针（NPC）。该探针由乙烯基连接的吩噻嗪荧光团和羟乙基吲哚基团组成。在酸性条件下，由于吩噻嗪与羟乙基吲哚基团之间的ICT效应，形成了一个巨大的共轭体系。噁唑烷及其螺环衍生物表现出独特的闭环和开环平衡机制。NPC探针能够响应接近中性（4.50–7.20）范围内的微小pH变化。然而，本研究的关键创新不仅在于探针的分子设计，还在于将这一已建立的机制与两种互补技术协同整合，创建了一个多功能平台。首先，我们将探针固定在琼脂糖水凝胶基质中，以克服溶液和纸基形式的稳定性和操作限制。其次，我们开发了一种便携式智能手机辅助检测设备，以实现现场定量分析。为了实现对不同饮料中微小pH变化的实时和精确视觉检测，我们开发了一种便携式荧光传感设备，并将其与琼脂糖凝胶指示剂标签结合，构建了一个智能手机-凝胶荧光传感检测平台。该平台具有高灵敏度、出色的抗干扰能力、凝胶态发射和便携性。通过将RGB值转换为pH值实现了pH变化的定量检测。此外，该探针具有优异的回收率（95.7–106.7%）和低RSD值（<3.52%）。通过将应用范围从食品分析扩展到信息安全，证明了该集成平台的多功能性。琼脂糖凝胶的可塑性结合探针的可逆pH依赖性荧光切换，使我们能够基于这种化合物类构建3D防伪结构。此外，NPC探针还表现出比色法和荧光的双模特性，也可用于信息加密和2D层面的防伪。NPC探针的凝胶态发射特性有望应用于3D层面识别真品和仿品。同时，其对pH的响应特性使其具有环境特定触发、可控信息变化、环境记忆功能以及多层加密等特性，从而增加了防伪的难度。其隐蔽性、低成本和易于集成性可以显著提高防伪的安全性并降低验证门槛。
探针NPC的合成
化合物1和2根据参考文献[43]、[51]进行合成。将化合物1（51.4 mg，0.213 mmol）和化合物2（141.1 mg，0.426 mmol）溶解在绝对乙醇（15 mL）中，并加入15滴N,N-二异丙基乙胺（DIPEA）作为催化剂。随后，混合物进行回流反应，并通过薄层色谱（TLC）监测反应过程，直到起始材料完全反应（14小时）。反应完成后，移除溶剂
探针NPC的设计策略及其传感机制
在这项研究中，设计并合成了一种多功能pH响应荧光探针，以羟乙基吲哚衍生物作为识别基团，吩噻嗪衍生物作为荧光团，用于检测各种饮料样品中的pH值。吩噻嗪具有“蝴蝶形”非平面结构，有助于防止分子的π-π聚集，抑制分子间振动和聚集态的自熄灭。
结论
总之，我们设计并合成了一种多功能pH响应荧光探针NPC，以羟乙基吲哚衍生物作为识别基团，吩噻嗪衍生物作为荧光团。虽然螺噁唑烷开关机制在文献中已有详细记载，但本研究的主要贡献在于开发了一个集成传感平台，将该分子探针与坚固的琼脂糖水凝胶基质和便携式设备协同结合。
资助
本工作得到了河南省科学技术厅（编号：252102321120）和河南省高等教育重点科研项目（编号：25B550006）的财政支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
