基于耐久性丝纤维的比色传感器：通过漆酶催化的蝶豆花青素接枝技术实现，包括性能测试、特性分析及理论机制研究

《International Journal of Biological Macromolecules》：Durable silk fiber-based colorimetric sensor via laccase-catalyzed grafting of butterfly pea anthocyanins: Performance, characterization, and theoretical mechanism

基于蝴蝶豆花青素和漆酶催化共价接枝的纺织pH传感器研究开发了一种宽范围（pH2-12）可重复使用的丝绸基生物传感器，通过DFT计算揭示了关键酸性基团（pKa4.96）及高能垒（~28 kcal/mol）的耐久机制，实现汗液、尿液和阴道分泌物的可视化检测与抗氧化活性验证。

　　

作者：金全本|吴伟|吴文|张环霞|张健|常硕|周杰|周晴晴|胡美群

中国浙江省嘉兴市嘉兴大学材料与纺织工程学院，邮编314001

摘要

监测人体体液的pH值对于健康评估至关重要。本研究通过漆酶催化的可食用蝶豆花青素与丝绸织物的共价接枝反应，开发出一种耐用且基于纺织材料的比色传感器。这种功能化的丝绸在广泛的pH范围内（2–12）表现出明显的、可逆的颜色变化，能够直接区分模拟的人体汗液（pH 4.5时为紫色，pH 6.0时为蓝色，pH 8.0时为 turquoise色）、尿液（pH 6.0时为蓝色）以及阴道分泌物（pH 4.5时为紫色）。该传感器具有出色的耐用性，良好的洗涤和耐磨性能（等级4），并且在10次重复使用后仍能保持稳定的性能（ΔE < 2）。此外，它还表现出显著的抗氧化活性（DPPH清除率约为73%）。多阶段密度泛函理论（DFT）的研究为传感器的功能和稳定性提供了分子层面的解释。计算结果显示，关键的酸性位点（δ-OH）的pKa值为4.96，负责主要的紫色到蓝色的转变，并揭示了竞争性颜色褪色途径的高动力学障碍（约28 kcal/mol），这解释了其在强碱条件下的耐用性和不可逆降解现象。本研究从“制备到机制”全面探讨了这一过程，将高性能的可穿戴传感器与基础理论验证相结合，为个人健康监测和智能纺织领域的应用提供了可能。

引言

纺织材料具有稳定的柔软性、优异的机械性能、透气性、低成本的编织技术以及轻质特性，使其成为开发可穿戴柔性智能设备的首选材料。目前，功能性智能纺织材料正在许多领域得到应用，特别是在机械传感和人体健康监测方面[1][2][3][4]。许多基于纺织的柔性传感器能够有效响应刺激性气体、有害化学物质和生物代谢物，从而实现对人体健康和安全的实时监测。这不仅提升了纺织材料的附加值，满足了消费者的更高需求，还对保护人类健康具有重要意义[5]。具有传感功能的物质可以嵌入纺织纤维中，或作为表面改性用于监测人体分泌物和外部环境的变化。人体体液如汗液、阴道分泌物、眼泪、尿液和羊水等，其pH值的变化通常反映了人体健康状况的变化[6][7]。例如，汗液主要由水组成，含有少量生物化合物，其pH值范围在4到6.8之间。pH值高于6.8的汗液通常表明存在异常情况，可用于观察低钠血症、脱水和病理性疾病等异常状况，这对于理解身体系统中的生化变化至关重要[8]。此外，许多初产妇在妊娠晚期会经历尿失禁，尤其是在胎儿足月后的37周之后。她们往往难以区分内衣上的大量液体是尿液还是水样阴道分泌物[9]。正常尿液的pH值一般在4.6到8之间，略呈酸性[10]。正常阴道分泌物的pH值通常在3.8到4.4之间，具有抑制有害细菌生长的作用。水样分泌物的出现可能提示潜在的妇科感染[11]。在妊娠晚期实时监测内衣上的大量未知液体有助于缓解孕妇的焦虑，及时发现潜在的妇科问题，并降低流产风险。

比色传感器功能简单，具有视觉检测能力，便于肉眼快速判断。因此，比色传感器被认为是一种非常简单、廉价且高效的实时检测技术[12]。利用比色方法监测人体体液或外部环境刺激和变化是一种有用的监测方法，其优点包括操作简便、非侵入性，且不需要复杂的电子组件或专业培训人员。因此，开发高效的固态比色检测传感器以监测上述生化变化具有重要意义[13]。然而，制备具有良好灵敏度、可逆性、生物降解性和耐洗性的可重复使用的基于纺织材料的pH比色传感器仍是一个挑战。

花青素（Ac）是一种天然酚类化合物，可作为酸碱指示剂，来源于紫薯、桑葚、葡萄皮和黑米等多种植物。不同种类的花青素在水溶液中在不同pH值下会呈现不同的颜色，包括蓝色、绿色、红色、黄色和紫色，使其适用于pH值指示[14][15][16]。通常，来自蝶豆花等来源的花青素在中等温度（如60–70°C）下具有较高的热稳定性，而在80°C以上降解速率显著增加。此外，它们在pH变化时表现出可逆的结构变化，同时保持抗氧化活性，显示出作为稳定、生物活性色素的潜力[17]。目前，许多研究人员正在将花青素应用于智能包装领域。由于食品在不同新鲜度下的pH值不同，将花青素加入包装膜中可以根据食品变质程度实时显示颜色变化，从而评估食品的质量或新鲜度。例如，智能包装膜可用于监测牛奶、肉类和鱼类等食品的新鲜度[18][19][20]。此外，还可以从卷心菜中提取花青素，并使用硫酸铝钾作为媒染剂将其固定在棉纤维表面，以检测人体汗液。当棉织物暴露在pH值为8的模拟汗液中时，颜色会从粉色变为绿色。然而，棉纤维的改性过程涉及金属离子的添加，这不仅会影响环境，还会改变花青素与金属离子形成复合物后的颜色，导致织物在pH值达到8后不再变色[21]。有报道使用紫薯提取的花青素直接染制丝绸织物。在pH值3–7的溶液中浸泡后，丝绸织物仍保持类似的粉紫色，肉眼无法观察到明显颜色变化，也无法对酸性到中性刺激做出响应。此外，这些织物无法承受反复洗涤，缺乏耐用性和实用性[22]。因此，需要进一步改进花青素改性纺织材料的响应范围。需要进一步探索，以开发出可重复使用、可洗涤、环保且具有宽pH响应范围的基于纺织材料的pH传感器。此外，这些实验上的不足凸显了一个更深层次的根本性挑战：花青素颜色的复杂分子机制。其稳定性受到所需的显色脱质子化过程与不希望出现的颜色褪色途径之间的竞争影响。这一机制上的差距阻碍了稳定传感器的合理设计。因此，完整的研究不仅需要关注实验耐久性，还需要解决这一根本性的理解问题。

蝶豆花青素（BPF-Ac）是理想的候选材料，因其具有食品级的生物安全性[23][24][25]。为了解决耐用性问题，采用了漆酶（一种多酚氧化酶）来催化酚类化合物与蛋白质纤维（如丝绸）的共价接枝[26][27][28][29][30]。本研究采用了一种协同方法，同时解决了实验和理论上的挑战。实验上，开发出了一种新型的、可穿戴的、环保且耐用的生物变色传感器。使用丝绸织物（SF）作为纺织基底，通过漆酶催化过程将BPF-Ac共价接枝到纤维上。所得的比色丝绸传感器通过SEM、XPS等分析技术进行了表征，并系统评估了其耐用性、可重复使用性和机械性能。与传统依赖物理吸附或金属离子媒染的方法不同，漆酶催化的共价接枝确保了花青素在传感器上的持久固定和耐洗性。这种方法不仅克服了关键的稳定性限制，还保持了染料的固有pH敏感性，使接枝传感器能够在2–12的pH范围内表现出广泛的、视觉上明显的比色响应。这一宽广的动态范围使传感器能够与各种人体体液（如汗液、尿液和阴道分泌物）有效交互，从而为个性化健康监测提供了潜力。从理论上讲，为了建立对传感器功能和稳定性的基本理解，进行了多阶段密度泛函理论（DFT）研究。该计算模型定量映射了竞争反应网络，确定了控制颜色变化的主要pKa位点，并分析了颜色褪色途径的动力学障碍和热力学产物。通过这种材料制备和分子层面验证的结合方法，不仅创造了功能性传感器，还解释了其出色的性能，为未来生物传感器的合理设计提供了理论基础。

材料

丝绸织物（69.44 g/m2）购自江苏华佳集团有限公司。漆酶（Trametes versicolor）由上海源叶生物科技有限公司提供。干蝶豆花粉从当地市场购买。玉米淀粉购自上海阿拉丁生化科技有限公司。人工汗液由上海Canspec科学仪器有限公司提供，包括酸性汗液（pH = 4.5）、中性汗液（pH = 6.0）和碱性汗液。

表面形态和化学成分分析

SEM图像显示了原始丝绸织物和酶改性后的丝绸织物的不同表面形态。原始丝绸织物的接触角为0°，纤维表面非常光滑（图1a），没有突起，纤维之间有明显的孔隙。这些结构特征有利于溶液在丝绸织物基质中的吸附和扩散。

结论

本研究从干蝶豆花粉中简单提取了花青素指示剂，并使用漆酶作为催化剂，使花青素与丝胶蛋白反应并迅速负载到丝绸织物上。开发出一系列绿色、可持续的、基于纺织材料的比色传感器，具有可逆性和可穿戴性，能够对体内体液的生化变化产生肉眼可见的比色响应。

CRediT作者贡献声明

金全本：撰写——原始草稿，数据整理。 吴伟：撰写——原始草稿，软件开发。 吴文：方法学设计，正式分析。 张环霞：验证，正式分析。 张健：方法学设计，实验研究。 常硕：可视化处理，监督。 周杰：监督，实验研究。 周晴晴：撰写——审稿与编辑，资金筹措。 胡美群：撰写——审稿与编辑，资金筹措。

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

本工作得到了“国家大学生创新创业培训计划”（202410354061）、“嘉兴市青年科技人才专项计划”（2023AY40027）和“嘉兴市重点科技研究项目”（2025AC033）的支持。