一种基于三甲胺反应的快速、可视化微针阵列传感器，用于现场检测鸡肉的新鲜度

《Microchemical Journal》：A rapid and visual microneedle array sensor based on trimethylamine response for on-site chicken freshness detection

　　

Mingsha Jie|Xiaoyao Wang|Zhendong Liu|Shengkai Lan|Junguang Li|Xiaoyue Yue|Yanhong Bai

河南郑州轻工业学院食品与生物工程学院，中国河南省郑州市450002

摘要

鸡肉在储存和运输过程中极易变质，因此准确检测其新鲜度对于保障食品安全至关重要。本文开发了一种基于荧光材料铜纳米簇（CuNCs@p-MBA）的新微针阵列传感器（MAS）。该传感器能够有效穿透各种鸡肉组织，高效提取组织液并原位固定目标分析物，用于快速可视化检测鸡肉的新鲜度。传感器利用CuNCs@p-MBA对三甲胺（TMA）的特异性荧光响应，三甲胺是鸡肉变质的关键生物标志物，通过明显的荧光颜色变化（如从红色变为紫色）直观指示新鲜度状态。实验中采用标准365纳米紫外LED暗箱进行荧光激发，并通过智能手机上的RGB颜色识别工具（Color Picker APP）提取荧光图像的RGB值，建立RGB值与储存时间的线性回归模型。结果显示，在4°C和25°C的储存条件下，TMA浓度随时间累积增加，鸡肉新鲜度下降，变质程度加深。该方法具有检测快速、准确的优点，为鸡肉新鲜度检测领域提供了创新的技术途径。

引言

肉类是人类饮食中不可或缺的营养来源，因其丰富的营养成分而具有重要意义[22]。鸡肉以其高蛋白和低脂肪的特点受到消费者的青睐[13]。在储存、运输和加工过程中，鸡肉容易因微生物大量繁殖及内源性酶分解蛋白质而变质，产生三甲胺（TMA）等生物胺[6]、[9]、[31]。这些化合物对食品安全构成威胁，过量摄入可能对人体健康造成头痛、过敏反应和低血压等健康问题，严重时可导致休克甚至死亡[24]、[25]。研究证实生物胺是评估肉类变质程度的可靠指标[10]、[23]。因此，准确检测生物胺含量对肉类质量评估至关重要。

目前用于监测肉类新鲜度的方法包括液相/气相色谱-质谱（LC/GC–MS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、毛细管电泳（CE）和电子鼻技术[4]、[5]、[26]、[33]。但这些方法存在依赖专业设备、检测速度慢、成本效益低和便携性差等缺点。因此，亟需探索一种准确、高效、便携且经济的方法来监测肉类新鲜度。微针技术作为一种新兴技术，在食品安全应用领域展现出巨大潜力。该技术利用微米级针状结构穿透样品表面，通过毛细作用快速收集肉组织液[27]。荧光化学传感器具有响应速度快、灵敏度高、操作简单和选择性强的特点，在食品安全分析中得到广泛应用[7]、[18]、[32]。与微针结合使用后，不仅能高效检测和分析食品中的目标分析物，还能构建功能性的MAS以实现实时评估肉类新鲜度。Chen等人[7]制备了利用荧光异硫氰酸酯（FITC）对生物胺特异性响应的水凝胶微针贴片，实现生肉新鲜度的快速检测；Lai等人[15]使用掺锰碳点（Mn:CDs）作为生物光子探针，通过荧光颜色变化实现生物膜感染的肉眼监测。

作为一种新型荧光材料，CuNCs@p-MBA因其优异的光学稳定性、高量子产率和对肉类变质标志物的特异性响应而在新鲜度检测中具有独特优势[11]、[17]。其荧光信号随目标分析物浓度变化而显著改变，便于准确定量检测，并可通过简单荧光成像或光谱分析实现快速读数，完全满足现场食品新鲜度检测的实际需求。由水凝胶材料制成的微针在干燥状态下具有良好刚性，加水后变为水凝胶形态[8]，能将样品中的目标分析物浓度转换为直观的视觉比色信号，快速指示潜在的安全风险[16]。微针作为柔性且生物相容性的载体，为CuNCs@p-MBA提供稳定负载平台；CuNCs@p-MBA作为高灵敏度荧光识别元件，使MAS对肉类变质标志物具有特异性响应。这种策略制造的TMA响应MAS实现了目标识别、信号传导和现场读数的集成检测平台，响应时间仅需5–10分钟，支持通过便携设备进行视觉解析和检测，非常适合冷链物流和零售场景的实时监测。

新鲜鸡肉易受微生物和酶的作用而变质。针对这一特性，本研究重点开发了一种针对TMA的MAS，TMA是鸡肉变质过程中产生的关键生物胺，以验证其适用性和有效性。首先使用PVA/PVP混合水凝胶作为基底成功制备了微针（方案1A），通过一步法合成了对TMA具有特异性荧光响应的CuNCs@p-MBA荧光纳米材料，并将其负载到微针上制成TMA响应荧光MAS（方案1B）。将传感器插入鸡肉样品内部后，随着TMA含量的增加，传感器的荧光颜色逐渐从红色变为红紫色再变为紫色（方案1C），直观反映了鸡肉从新鲜状态到变质状态的转变过程。同时使用智能手机捕捉传感器荧光图像并分析RGB值，实现鸡肉新鲜度的可视化便捷检测。通过检测鸡肉pH值、总菌数（TVC）和总挥发性碱性氮（TVB-N）等指标验证了检测结果的准确性，证明了CuNCs@p-MBA在检测鸡肉新鲜度方面的有效性。该方案为肉类新鲜度的快速、原位和可视化检测提供了新方法。

章节片段

材料

硝酸铜（Cu(NO₃)₂（99.9%）、TMA、4-巯基苯甲酸（p-MBA）、四氢呋喃（THF，≥99.9%）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（Bis，>98%）、聚乙烯醇1799（PVA1799）、聚乙烯吡咯烷酮K30（PVP K30）、聚乙二醇（PEG）、溴化钾（KBr，>99%）、甲基红和溴甲酚绿购自上海阿拉丁生化科技有限公司；醋酸和硼酸来自天津凯美莱化学试剂有限公司；磷酸由其他供应商提供

微针的表征

如图1A和B所示，使用PDMS模具制成的微针底部具有规则的锥形针状突起，排列成8×8网格。相邻微针之间的距离为1000 μm，微针阵列的间距为450 μm，微针的高度为1500 μm。与模具的理论参数相比，微针的实际高度略有减小，可能是由于溶剂蒸发和聚乙烯醇的修饰作用

结论

综上，采用基于PVA/PVP的高膨胀水凝胶微针作为提取平台，并结合CuNCs@p-MBA纳米材料制备了MAS。该创新装置通过监测储存过程中TMA水平的变化有效检测鸡肉新鲜度。传感器能轻松穿透鸡肉表面，在10分钟内提取足够量的组织液用于荧光分析。在持续监测过程中

作者贡献声明

Mingsha Jie：撰写、审稿与编辑、项目管理、资金获取、数据整理、概念构思。Xiaoyao Wang：初稿撰写、正式分析、数据整理、实验研究。Zhendong Liu：实验研究、正式分析、验证、撰写、审稿与编辑。Shengkai Lan：方法学设计、实验研究、正式分析、数据整理、撰写、审稿与编辑。Junguang Li：数据整理、实验研究、验证、撰写、审稿与编辑。Xiaoyue Yue：

未引用参考文献

[2]

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：32402244）和河南省重点科技项目（项目编号：252102111059、242102111057）的资助。