在食品安全应用中，准确验证UV-C消毒效果需要可靠地测量表面接收的辐射剂量；然而，现有的方法如生物剂量测定、化学光度测量和计算流体动力学（CFD）受到复杂几何形状、表面不均匀性的限制，且无法捕捉累积的表面暴露量。这迫切需要简单、能够响应表面变化的UV-C剂量测量工具来支持实际的消毒效果验证。本研究开发了基于累积颜色变化的放射性染色薄膜（RCFs），其中含有白孔雀石绿（LMG）和螺吡喃（SP）衍生物（1′,3′-二氢-8-甲氧基-1′,3′,3′-三甲基-6-硝基螺吡喃）。由于染料浓度和薄膜厚度直接影响灵敏度、饱和度和可用剂量范围，因此使用三种染料浓度（3、5和7 phr）以及三种浇铸厚度（60、90和120 μm）系统地评估了它们的效果，以确定最佳配方。
浇铸厚度为90 μm的薄膜显示出更优异的机械性能和更快的颜色响应。LMG薄膜的最佳染料浓度为3 phr（LMG390），SP薄膜的最佳染料浓度为5 phr（SP590）：SP薄膜在低剂量（≤283 mJ·cm?2）下具有更高的灵敏度，而LMG薄膜在较高剂量（≤1890 mJ·cm?2）下仍有效。差示扫描量热法（DSC）分析显示，SP薄膜比LMG薄膜更均匀地融入聚丁醛（PVB）基体中。当这些薄膜直接应用于处理过的表面时，可以通过可见颜色变化来整合空间分辨和累积的UV-C暴露量，从而提供一种快速、可调且与表面相关的比色剂量测量方法，用于实际验证食品和食品接触表面的UV-C剂量传递。
引言
紫外线（UV）辐射是一种非热、非电离的处理方式，分为几个子范围：UV真空（100–200 nm，UV-V）、UV-C（200–280 nm）、UV-B（280–315 nm）和UV-A（315–400 nm）。在食品工业中，UV-C是最优选的形式，因为它在260–280 nm范围内对微生物具有致命作用（Guerrero-Beltran & Ochoa-Velasco, 2020）。UV-C通常用于空气消毒、透明液态食品的巴氏杀菌以及食品和食品接触表面的消毒。这是一种安全、节能且无残留的表面去污方法；然而，由于其有限的穿透能力和对不规则表面的无效性（由于存在“盲点”），因此需要准确确定UV剂量（Barut G?k et al., 2021; Choudhary & Bandla, 2012）。常用的方法如生物剂量测定、化学光度测量和计算流体动力学往往耗时复杂，或需要专门的知识（Barut G?k, Gr?f, & Stahl, 2020; Guerrero-Beltrán & Barbosa-Cánovas, 2004）。此外，传统的辐射测量技术通常受到几何效应和表面不均匀性的限制，且无法捕捉累积的表面暴露量，这可能导致在复杂或非平面表面上对有效UV剂量的估计不准确，从而影响过程验证的可靠性。因此，需要简单、能够响应表面变化的UV-C剂量测量工具，以整合随时间变化的暴露量，并在实际的食品消毒条件下验证UV-C剂量传递。
放射性染色薄膜剂量测量被报道为一种用于食品和食品接触表面UV剂量测量的替代技术（Fan, Huang, & Chen, 2017）。放射性染色薄膜（RCFs）最初是无色的，会根据所施加的辐射剂量而变色。RCFs主要用于工业应用中确定电离辐射（如伽马辐射）的剂量水平。然而，由于市场供应有限和成本较高，其商业化受到限制，限制了连续使用。因此，研究人员专注于为特定应用开发RCFs。Mai、Solomon、Taguchi和Kojima（2008）开发了含有白孔雀石绿（LMG）和聚丁醛（PVB）的RCFs来测量伽马射线剂量。同样，Soliman、Abdel-Fattah和Dutremez（2021）报道了一种含有1,10-二苯氨基-4,6-十二炔作为活性剂的放射性剂量计，能够测量高达296.1 kGy的剂量。Faheem、Moniem和El Ahdal（2019）提出将雷沙津染料掺入聚乙烯醇（PVA）薄膜中，作为商用FWT-60-00薄膜的替代品。据报道，雷沙津薄膜的颜色从深紫色变为橙色，其对伽马辐射（60 kGy）的响应是FWT-60-00薄膜的12倍。
在文献中，大多数研究主要集中在为伽马辐射应用开发RCFs上，而商业和实验室规模的RCFs在UV范围内的适用性尚不清楚。Abdel-Fattah、Hegazy和Ezz El-Din（2000）开发了掺有百里酚蓝（TB）的聚丁醛（PVB）薄膜，用于监测200–400 nm范围内的UV照射，并证明这些薄膜适用于所有UV区域，特别是在较短波长（UV-C范围）下具有更高的灵敏度。Kotb、El Ghazaly、Mohamed和Ibrahim（2022）研究了商用Gafchromic? EBT2放射性染色薄膜（RCFs）测量UV-A太阳辐射的适用性。他们的结果表明，EBT2薄膜虽然适用于UV-A辐射测量，但其应用范围仅限于此波长范围。在最近的一项研究中，Cankal、Unluturk和Unluturk（2023）评估了商用FWT-60-00 RCFs在UV范围内的性能，发现这些薄膜仅在低UV剂量水平（≤60 mJ·cm?2）下有效，且不经济可行。先前的研究表明，螺吡喃（SP）衍生物因其紫外照射下的可逆结构转变而成为有效的光致变色材料。紫外光照射会导致SP分子环打开，生成异硫氰酸酯（MC）异构体，产生明显的、可量化的颜色变化，这是其在光学传感和剂量测量中应用的基础。例如，Samoladas、Bikiaris、Zorba、Paraskevopoulos和Jannakoudakis（2008）研究了基于螺吡喃的聚苯乙烯和聚己内酯薄膜的光致变色响应，在UV-A照射（365 nm）下观察到快速的颜色变化，在紫外吸收剂和抗氧化剂存在下响应增强。这些研究中报告的显著紫外诱导的颜色变化和对累积暴露的敏感性表明，基于SP的系统适用于定量UV监测。这些特性支持选择螺吡喃作为比色UV剂量测量的有希望的候选材料，并证明了在本研究中对其进行评估和优化的必要性。因此，关于生产能够测量低和高水平UV-C剂量的RCFs的研究很少。
本研究的目的是开发并表征含有螺吡喃（SP）和白孔雀石绿（LMG）的PVB基放射性染色薄膜，作为在254 nm处测量UV-C剂量的比色、剂量敏感的剂量计，特别关注可逆和不可逆颜色变化在表面消毒验证中的比较。由于SP染料的可逆性质限制了其用于永久剂量测量的适用性，因此研究了之前主要用于伽马辐射的LMG作为新型不可逆UV-C敏感替代品。除了染料类型外，还系统地评估了染料/敏化剂浓度和薄膜浇铸厚度对RCFs颜色变化和机械性能的影响。使用期望函数分析（DFA）确定了最佳RCF配方，并进一步表征了优化的SP和LMG-RCFs，证明了它们作为实际验证食品和食品接触表面消毒过程中UV-C剂量传递的工具的潜在适用性。
化学物质
聚丁醛（PVB）粉末（平均分子量Mw = 90,000-120,000）由Sigma-Aldrich Corporation（美国密苏里州圣路易斯）提供。白孔雀石绿（LMG，Thermo Scientific），1′,3′-二氢-8-甲氧基-1′,3′,3′-三甲基-6-硝基螺吡喃[2H-1-苯并吡喃-2,2′-(2H)-吲哚]-螺吡喃（SP，Sigma-Aldrich），2-甲氧基乙醇（Merck），2-乙氧基乙醇（Merck），1-丁醇（Carlo Erba），N,N-二甲基甲酰胺（DMF，Carlo Erba），聚乙二醇（PEG，Fluka）
RCFs的浇铸和优化
研究首先从浇铸放射性染色薄膜（RCFs）开始。为了优化UV-C剂量测量性能，研究了三种染料浓度（3、5和7 phr）。通过评估多种浓度，确定了一种能够在不饱和的情况下提供适当颜色变化的配方，从而实现相关暴露范围内的准确UV-C剂量测量。此外，还评估了三种浇铸厚度（60、90和120 μm），因为薄膜厚度对...
结论
本研究开发了基于LMG和SP的放射性染色薄膜，并研究了染料浓度和浇铸厚度对其性能的影响。最佳的UV-C剂量测量薄膜分别为LMG390–75（3 phr染料，90 μm厚度，75 phr敏化剂）和SP590（5 phr染料，90 μm厚度）。LMG390–75薄膜对UV-C剂量的响应范围达到1890 mJ·cm?2，SP590薄膜的响应范围达到283.5 mJ·cm?2。LMG390–75薄膜表现出更强的环境...
CRediT作者贡献声明
亚迪加尔·塞菲·坎卡尔（Yadigar Seyfi Cankal）：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据管理、概念化。塞夫坎·乌尔卢图尔克（Sevcan Unluturk）：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。
资助
本工作得到了伊兹密尔技术学院科学研究项目协调部门的支持（资助编号：2023IYTE-1-0015）。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢S. Mehmet UNLUTURK教授在MATLAB代码创建方面的帮助，Iztech综合研究中心材料研究部的Zehra Sinem Yilmaz博士在SEM分析方面的支持，Iztech综合研究中心地热能源研究与应用部的Ebru Hancioglu副教授在DSC分析方面的支持，以及Cagri Cavdaroglu博士在FTIR设备提供和服务方面的支持。此外，作者还感谢...
