噴墨打印磺酞染料指示劑陣列用于揮發(fā)性胺的檢測(cè)

壓電噴墨打印為制造用于檢測(cè)食品腐敗揮發(fā)物的比色指示器提供了一種方便、有效和靈活的方法。通過該方法已開發(fā)了一種由磺酞染料組成的比色指示劑陣列，用于檢測(cè)揮發(fā)性胺。通過與總揮發(fā)性堿性氮、微生物生長(zhǎng)和感官屬性等質(zhì)量參數(shù)相關(guān)聯(lián)，可揭示魚產(chǎn)品的新鮮度。

通過壓電噴墨打印成功開發(fā)了一種由磺酞染料組成的比色指示劑陣列，用于檢測(cè)揮發(fā)性胺——海鮮產(chǎn)品的主要腐敗氣體。在“An inkjet-printed sulfonephthalein dye indicator array for volatile amine detection”（發(fā)表于《Journal of Food Science》）的研究中提出的壓電噴墨打印方法為制造用于檢測(cè)食品腐敗揮發(fā)物的比色指示器提供了一種方便、有效和靈活的方法。這些指標(biāo)有望作為智能包裝系統(tǒng)中的傳感元件，通過與總揮發(fā)性堿性氮、微生物生長(zhǎng)和感官屬性等質(zhì)量參數(shù)相關(guān)聯(lián)，揭示海鮮產(chǎn)品的新鮮度。進(jìn)一步研究在實(shí)際食品包裝系統(tǒng)中使用陣列指示劑的可行性、制定減輕指示劑染料潛在遷移的策略以及設(shè)計(jì)最適合機(jī)器/人類解釋的陣列模式，對(duì)于將該技術(shù)商業(yè)化**重要。

介紹

比色指示劑是能夠通過分別由pH、溫度、光和特定化合物誘導(dǎo)的鹵色、熱色、光致變色和化學(xué)變色反應(yīng)來改變顏色的染料或顏料（Cheng, Yoon, & Tian, 2018 ; De Meyer等人，2012；Lau等人，2004；Panak、Dr?ková和Kaplanová，2015）。這些變色特性使比色指示劑成為檢測(cè)食品中腐敗因素的優(yōu)良傳感材料?；翘玖鲜且唤M鹵色指示劑，由于其苯酚基團(tuán)質(zhì)子化/去質(zhì)子化時(shí)吸收光譜的移動(dòng)會(huì)改變顏色（De Meyer、Hemelsoet、Van Speybroeck和De Clerck，2014）。三個(gè)選定的磺酞染料的結(jié)構(gòu)變化，酚紅，間甲酚紫鈉鹽，和氯酚紅，在酸性和堿性條件示于圖1。不同的芳香取代基使這些染料在不同的pH范圍內(nèi)呈現(xiàn)不同的顏色和敏感度。

指示劑陣列的概念最初是為了模擬人類的嗅覺系統(tǒng)，通過比色指示劑矩陣來檢測(cè)各種香氣化合物（Janzen、Ponder、Bailey、Ingison和Suslick，2006；Suslick和Rakow，2000）?；驹硎菍怏w混合物作為單一分析物處理，并同時(shí)從呈現(xiàn)的化學(xué)響應(yīng)著色劑中獲得復(fù)合響應(yīng)（Suslick和Rakow，2000）。指示劑陣列的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它提供了一種通過與分析物相互作用產(chǎn)生大量輸出信號(hào)的快速方法，從而提高了靈敏度（Suslick和Rakow，2000）。各種比色指示劑陣列系統(tǒng)已被開發(fā)用于食品應(yīng)用中的揮發(fā)性化合物檢測(cè)，例如啤酒（Zhang、Bailey 和 Suslick，2006）、軟飲料（Zhang和Suslick，2007）、人造和天然甜味劑（Musto、Lim 和Suslick，2009)、咖啡（Suslick、Feng和Suslick，2010 )、糖類（Musto和Suslick，2010) 和紅茶（Li等人，2018 )。最近的研究表明，比色指標(biāo)有望用于監(jiān)測(cè)魚類（Sun等人，2015）和雞肉（Kim、Li、Lim、Kang和Park，2016）等食品的新鮮度)，以及檢測(cè)牛奶摻假（Yang、Huo、Jiang、Hou和Zhang，2013）和牛奶變質(zhì)（Ziyaina、Rasco、Coffey、ünlü和Sablani，2019）。

▲ 圖1   選定的磺酞染料在酸性（左）和堿性（右）條件下的結(jié)構(gòu)，其中（i）R 1 = H，對(duì)于酚紅，R 2 = H；（ⅱ）R 1 = H，R 2 = CH 3為間甲酚紫鈉鹽；（iii）對(duì)于氯酚紅，R 1 = Cl，R 2 = H。

噴墨打印是一種用于食品和藥物應(yīng)用中快速液體沉積的通用技術(shù)（Pallottino等人, 2016；Scoutaris、Ross和Douroumis，2016）。對(duì)于智能包裝應(yīng)用，直接在包裝基材或包裝附件（例如標(biāo)簽、貼紙）上制作比色指示劑是一種經(jīng)濟(jì)且方便的工具。噴墨打印是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，具有極大的色彩處理靈活性和與現(xiàn)有工業(yè)包裝印刷操作的高度兼容性。此外，現(xiàn)代噴墨打印技術(shù)具有多種優(yōu)勢(shì)，例如允許各種沉積模式、打印材料的交叉污染水平低，以及通過精確控制墨滴尺寸來節(jié)省墨水（Scoutaris等人，2016；Singh, Haverinen, Dhagat, & Jabbour，2010）。這種自動(dòng)化過程可以兼容打印食品材料，如蛋白質(zhì)、DNA、食品凝膠和其他功能聚合物（Scoutaris等人，2016）?，F(xiàn)代噴墨打印有兩種常用方法，即連續(xù)噴墨（CIJ）打印和按需噴墨（DOD）噴墨打?。―erby，2010 )。在 CIJ 打印中，即使沒有打印請(qǐng)求，也會(huì)連續(xù)分配墨水，這可能會(huì)造成浪費(fèi)。相比之下，在DOD打印中，液滴根據(jù)需要從打印噴頭噴射，通過感應(yīng)壓力梯度，由升高的溫度（熱噴墨）或電流（壓電噴墨）產(chǎn)生（Derby，2010）。與熱噴墨相比，壓電噴墨打印對(duì)于溫度敏感的墨水更有利，因?yàn)槟问峭ㄟ^壓電元件的機(jī)械驅(qū)動(dòng)而不是加熱來噴射的。由于研究團(tuán)隊(duì)的墨水對(duì)高溫的敏感性，他們選擇壓電噴墨打印用于當(dāng)前的研究。

目前最廣泛接受的測(cè)量魚中TVBN濃度的方法包括一系列步驟，包括胺提取、蒸汽蒸餾和滴定（Anderson，2008；Pacquit等人，2006）。由于這種方法具有破壞性且耗時(shí)，因此使用比色指示劑等替代方法可能有望用于魚類新鮮度的快速評(píng)估。

研究證明了使用噴墨打印機(jī)將單個(gè)鹵化染料打印到紙張和纖維素膜上以進(jìn)行二氧化碳檢測(cè)的有效性和效率（Zhang & Lim，2016）。本研究的主要目的是使用壓電噴墨打印技術(shù)開發(fā)和評(píng)估包含三種磺酞染料的比色指示劑陣列。在這里，研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了配制油墨的物理特性，并研究了打印指示器陣列檢測(cè)選定揮發(fā)性胺（氨、TMA、DMA、三乙胺 [TEA]、哌啶和肼）的可行性。

材料和方法

材料

酚紅鈉鹽、米甲酚紫鈉鹽、氯酚紅鈉鹽、氫氧化銨、TMA、DMA、TEA、哌啶、肼、乙基纖維素（EC；4cP，48%乙氧基）、可噴墨打印的透明膜和方玻璃瓶。

油墨配方與噴墨打印

從三個(gè)磺酞染料制備指示墨水，即酚紅，間甲酚紫鈉鹽，和氯酚紅。每種染料（5% w/w）的油墨通過使用Milli-Q水、乙醇和1-丁醇的混合物作為溶劑，并添加 4%（w/w）甘油來配制（表 1）。此外，打印機(jī)的墨盒填充有3%（w/w）EC的3:7乙醇/1-丁醇溶液。

▲ 表1   每種配制油墨溶液的溶劑混合物組成 (% w/w)

從打印機(jī)分配的每種配方墨水的量由Microsoft PowerPoint中預(yù)設(shè)的RGB（紅、綠、藍(lán)）值控制。比色指示劑陣列設(shè)置為7×9矩陣，具有63個(gè)正方形元素（5×5 mm2）。這些元素中的每一個(gè)都由不同C/M/Y比率的兩種染料或三種染料混合物組成（參見支持信息）。一旦分配了來自C、M和Y墨盒的墨水，來自墨盒的EC溶液就作為涂層沉積。應(yīng)用EC層的目的是保護(hù)打印染料免受水分干擾。所有比色指示劑染料都打印在噴墨打印透明薄膜上。在隨后的測(cè)試之前，打印的指示劑陣列在黑暗和干燥條件下儲(chǔ)存至少24小時(shí)。經(jīng)常使用由1:2:1 (v/v/v) 乙醇/異丙醇/水配制的清潔溶液清潔打印頭，以防止殘留墨水污染。清洗液由5mL長(zhǎng)頭注射器分配，該注射器配有硅膠管以沖洗打印頭，并在噴頭下方放置一張紙巾，用于收集廢墨。

揮發(fā)胺檢測(cè)

胺檢測(cè)裝置的示意圖如圖2所示 。使用雙面膠帶將指示劑陣列連接到玻璃瓶的內(nèi)壁，然后加入測(cè)試的揮發(fā)性胺。一個(gè)數(shù)碼相機(jī)被組裝在玻璃瓶上方以捕捉指示劑陣列的圖像。將一張白色打印紙放在瓶子下方以提供中性白色背景。當(dāng)指示劑染料的顏色穩(wěn)定時(shí)，在胺暴露2小時(shí)之前和之后拍攝照片。每種處理在25°C下一式四份進(jìn)行測(cè)試。

▲ 圖2   通過噴墨打印的指示劑陣列檢測(cè)揮發(fā)性胺的示意圖，具有七行（A到G）和九列（1到9）的指示劑元素。

如圖2所示，胺暴露前后的8位圖像由數(shù)碼相機(jī)記錄。所有圖像均由Adobe Photoshop 6.0（Adobe Inc., San Jose, CA, USA）處理，通過測(cè)量63個(gè)指示元素中每一個(gè)的R、G和B顏色參數(shù)來標(biāo)準(zhǔn)化顏色。每個(gè)顏色值的范圍從0到255，其中RGB值（0, 0, 0）代表黑色和（255, 255, 255）白色。每個(gè)點(diǎn)的總顏色變化，歐幾里德距離（ΔE）由方程確定。

其中下標(biāo)“1”和“2”分別是胺暴露“之前”和“之后”的顏色值。

進(jìn)行掃描電子顯微鏡比較油墨沉積前后可噴墨打印透明薄膜的表面形態(tài)。在顯微鏡下檢查之前，使用濺射鍍膜機(jī)在樣品表面涂覆薄導(dǎo)電金層。兩片可打印透明度薄膜的進(jìn)行了研究：一個(gè)沒有任何墨水和其它與打印指示劑染料斑點(diǎn)G9，涉及所有三種染料具有39:16:21的濃度比（chlorophenol red : m-cresol purple : phenol red）。

通過分光光度計(jì)對(duì)純?nèi)玖戏勰┖瓦x定的打印指示點(diǎn)進(jìn)行衰減全反射 - 傅里葉變換紅外（ATR-FTIR）光譜。對(duì)于每個(gè)樣品，F(xiàn)TIR 光譜是通過在中紅外（IR）范圍（4,000 至 600cm?1）中以4cm?1辨率進(jìn)行32次掃描獲得的，然后應(yīng)用基線校正。與原始噴墨打印透明膜的紅外光譜相減后得到打印指示劑的光譜。

結(jié)果與討論

▲ 圖3   指示劑陣列在25°C下對(duì)不同濃度（2.4、4.8、12、24、96和240μg/mL）的TMA的顏色響應(yīng)。

▲ 圖4   25 °C 下不同濃度（2.4、4.8、12、24、96和240μg/mL）的TMA檢測(cè)的PCA圖。

▲ 圖5   指示劑陣列在25°C下對(duì)不同濃度（0.7、1.4、3.5、7.0、28和70μg/mL）的氨的顏色響應(yīng)。

▲ 圖6 25°C下不同濃度（0.7、1.4、3.5、7.0、28和70μg/mL）氨檢測(cè)的PCA圖。

油墨特性

在壓電DOD噴墨打印中，當(dāng)打印噴頭被傳送到所需的打印位置時(shí)，就會(huì)發(fā)生墨滴的噴射。墨水通過壓電換能器變形產(chǎn)生的壓力脈沖噴射，典型頻率范圍為1至20kHz（Derby，2010）。為了啟動(dòng)墨滴的噴射，壓力脈沖必須施加足夠的能量來克服噴頭處墨溶液的界面表面張力（Derby，2010）。因此，油墨的內(nèi)在特性是至關(guān)重要的。通過控制油墨溶液的物理特性，特別是密度、表面張力、動(dòng)態(tài)粘度，可以根據(jù)方程來操縱墨滴尺寸和打印行為。

配制的油墨在室溫下的動(dòng)態(tài)粘度值繪制在圖7。如圖所示，所有四種油墨在10至500s-1的剪切速率范圍內(nèi)都表現(xiàn)出牛頓行為。平均密度、表面張力和動(dòng)態(tài)粘度值列于表2。酚紅和氯酚紅墨水的較高密度可歸因于它們比其他兩種對(duì)應(yīng)物更高的水含量。與油墨相比，EC溶液的表面張力和粘度值較高是由于聚合物鏈間相互作用的貢獻(xiàn)。每種油墨配方中溶劑比例的變化是影響油墨粘度的主要因素。由方程式確定的油墨的Z值，范圍從4.84到8.23，都屬于Reis和Derby（2000）和Jang等人（2009）提出的可打印液滴的區(qū)域，根據(jù)他們?cè)诖蛴￡嚵兄甘緲颖酒陂g的一致行為。

▲ 圖7   配制油墨的動(dòng)態(tài)粘度，剪切速率為10至500s-1。

▲ 表2   配制油墨的密度、表面張力、動(dòng)態(tài)粘度和計(jì)算的Z值

除Z值外的所有結(jié)果均以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)偏差報(bào)告。同一列不同小寫字母后的數(shù)字表示差異顯著（P<0.05）。

打印指標(biāo)的表面形貌

墨滴沉積在其上的打印基材可具有不同的物理特性，例如表面粗糙度、疏水性、孔隙率和化學(xué)均勻性（Jung & Hutchings, 2012 ; Jung, Hoath, & Hutchings, 2013 ; Wu, Dong, Li, Zhou, & Song，2016 年）。這些表面特性將影響墨滴如何與干表面相互作用，干表面可以分為五個(gè)階段，即運(yùn)動(dòng)、擴(kuò)散、松弛、潤(rùn)濕和平衡（Rioboo, Marengo, & Tropea，2002）。在DOD噴墨打印中，為了獲得均勻的打印圖案，通常需要**的擴(kuò)散和**的飛濺（Scheller & Bousfield，1995）。除了油墨與基材的相互作用外，墨滴的干燥速度也會(huì)影響打印表面的形態(tài)。

圖8顯示了帶有和不帶有打印油墨的透明薄膜基材表面的SEM顯微照片，放大倍數(shù)為低倍和高倍?？梢钥闯觯该鞅∧ぐ粚映练e物，顆粒大小從小于1μm到25μm不等（圖8A）。其他從事噴墨打印透明薄膜的研究人員報(bào)告了類似的表面特征（Krauss 等人，2016）。沉積這些涂層的目的是未知的，盡管它們可能與改善液體油墨的接收和保持有關(guān)（Kumar, 2015）和/或防止基材片的阻塞。圖8B顯示了透明薄膜表面打印染料的形態(tài)和分布。SEM圖像顯示打印的墨滴均勻沉積，平均尺寸約為10μm。染料顆粒的均勻分布滿足圖3和圖5所示的打印一致性 。未來將油墨應(yīng)用于其他打印基材，如噴墨打印紙、相紙、纖維素紙和食品包裝薄膜等的研究將有助于加深對(duì)不同基材如何影響打印質(zhì)量和靈敏度的理解。

▲ 圖8 （A）不含油墨的可噴墨打印透明薄膜和（B）含有打印指示劑染料的透明薄膜的SEM顯微照片，分別在低（左）和高（右）放大倍數(shù)下。

在這項(xiàng)研究中，通過將磺酞油墨壓電噴墨打印到透明薄膜上，成功開發(fā)了用于揮發(fā)性胺檢測(cè)的pH指示劑陣列。配制的指示劑油墨表現(xiàn)出牛頓行為并且被認(rèn)為在室溫下可打印流體。當(dāng)暴露于不同水平的TMA和氨時(shí)，打印的指示劑陣列顯示出明顯的顏色變化，并且能夠通過化學(xué)計(jì)量分析區(qū)分六種不同的揮發(fā)性胺。結(jié)果表明，該指示劑陣列有望用于智能包裝應(yīng)用，以檢測(cè)與鮮魚和漁業(yè)產(chǎn)品腐敗相關(guān)的揮發(fā)性胺。噴墨打印的應(yīng)用提供了一種方便的方法來制造各種不同比例的混合染料的比色指示劑元素。目前正在進(jìn)行一項(xiàng)后續(xù)研究，以評(píng)估使用噴墨打印比色指示劑陣列與冷藏溫度下新鮮魚和海鮮產(chǎn)品的質(zhì)量參數(shù)相關(guān)聯(lián)的可行性，例如總揮發(fā)性堿性胺、微生物生長(zhǎng)、感官屬性、ATP降解、脂質(zhì)氧化等。通過將指示劑顏色響應(yīng)與食品質(zhì)量參數(shù)相關(guān)聯(lián)，通過使用配備高分辨率攝像頭的智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，消費(fèi)者可以實(shí)時(shí)了解易腐爛魚產(chǎn)品的實(shí)際新鮮度。應(yīng)調(diào)查指示染料向食品基質(zhì)的潛在遷移，以解決污染問題。為此，需要使用替代的食品級(jí)著色劑，包括那些對(duì)醛有反應(yīng)的著色劑，酮和烯烴——與食品變質(zhì)有關(guān)的典型揮發(fā)性化合物。最后，鑒于噴墨打印技術(shù)的靈活性，可以生成復(fù)雜的打印圖案，例如二維碼，以利用信息技術(shù)和移動(dòng)設(shè)備對(duì)食品進(jìn)行實(shí)時(shí)新鮮度評(píng)估。

參考文獻(xiàn)：

[1] Luo X ,   Lim L . An inkjet‐printed sulfonephthalein dye indicator array for volatile amine detection[J]. Journal of Food Science, 2020, 85(2).