[科普中國]-時間溫度指示劑

簡介

在商品流通過程中，溫度、空氣相對濕度、氣體以及光線輻射等因素都會影響產(chǎn)品的變質(zhì)速率。而在這些因素中，溫度是最難調(diào)控的一項。產(chǎn)品腐爛變質(zhì)的主要原因是微生物作用和酶的催化作用，而作用的強(qiáng)弱與所存放的溫度密切相關(guān)。為保證食品、疫苗等產(chǎn)品的安全，傳統(tǒng)的做法是標(biāo)定出保質(zhì)期，保質(zhì)期是指產(chǎn)品在最適宜的溫度條件下能存放的時間，或者是將產(chǎn)品存放在最差條件下的時間極值。然而由于在產(chǎn)品流通過程中影響產(chǎn)品品質(zhì)的各項因素都具有不可預(yù)知性，使得保質(zhì)期與產(chǎn)品真正可以流通的期限無法達(dá)到完全一致，從而會導(dǎo)致保質(zhì)期難以保證產(chǎn)品品質(zhì)或者雖保質(zhì)期已過而產(chǎn)品質(zhì)量仍合格而造成的不必要的浪費。

隨著技術(shù)進(jìn)步，在監(jiān)測食品、疫苗及飲料等主體產(chǎn)品的安全性過程中發(fā)明了時間-溫度指示劑（TTIs），這是一種化學(xué)智能化包裝標(biāo)簽，可以用來檢測主體產(chǎn)品在流通過程中是否有違規(guī)操作，如是否曾被置于高溫、高輻射等環(huán)境，可以高效地指示出產(chǎn)品的質(zhì)量是否合格，及時反映出主體產(chǎn)品的實時質(zhì)量信息，從而避免了傳統(tǒng)做法標(biāo)明保質(zhì)期所造成的無法正確指示產(chǎn)品質(zhì)量的問題，可以以商品的實際質(zhì)量狀況為前提，執(zhí)行最短貨架/最先銷售的原則。

指示劑的種類目前用到的時間溫度指示劑（TTIs）根據(jù)指示原理主要分為擴(kuò)散型、聚合反應(yīng)型和酶反應(yīng)型；根據(jù)指示劑工作時的化學(xué)原理，又可以分為溶液擴(kuò)散型和 pH 變色反應(yīng)型；根據(jù)傳遞信息的種類可以將溫度指示劑分為臨界溫度指示劑、臨界溫度/時間積分器、時間溫度指示器。

擴(kuò)散型指示劑根據(jù)布朗運動原理可知，物質(zhì)的擴(kuò)散速度隨著溫度的升高而加快。根據(jù)這一原理可以制備出兩種擴(kuò)散型指示劑，一種是將熱熔型材料蠟作為指示劑主體，當(dāng)蠟受熱融化后即可沿著預(yù)先鋪設(shè)好的毛細(xì)管流動而成為時間溫度指示劑；另一種是在可以顯色的指示劑與吸液芯帶之間放置一層熱熔型薄膜而制成的指示劑。兩種指示劑的基本原理相同，只是在熱熔型材料的選擇和用途上稍有不同。

（1）熱熔蠟作指示劑

熱熔蠟指示劑的主體部分是將熱熔性固態(tài)蠟涂覆于毛細(xì)材料表面邊緣處制成溫度指示標(biāo)簽粘貼在主體產(chǎn)品外包裝上。示意圖如圖1所示，圖1中112 即為用到的熱熔蠟指示劑，沿著圖中啞鈴型軸線方向鋪設(shè)有毛細(xì)纖維（ fiberious syntheticpolymer），當(dāng)主體產(chǎn)品暴露于較高溫度環(huán)境下時，熱熔性蠟達(dá)到其熔點開始逐步融化，之后熱熔性蠟就會沿著毛細(xì)管方向流動，技術(shù)人員可以通過垂直于毛細(xì)管的視窗（viewing window）108來觀察蠟的流動進(jìn)程。通常該視窗都做得非常小，位置設(shè)置在與主體產(chǎn)品的保質(zhì)期閾值相對應(yīng)的位置上，一旦可以從視窗處觀察到熔融態(tài)蠟，就說明產(chǎn)品的質(zhì)量已經(jīng)發(fā)生了變化不能再使用。由于外界環(huán)境的輻射也會影響蠟的流動特性，為減少光線輻射對實驗造成的誤差，可以在指示劑的外表面涂覆上一層防輻射材料，如 ZnO、TiO2、有機(jī)化合物及其混合物或者其它可以吸收紫外輻射的材料。

（2）熱熔物質(zhì)作指示劑隔膜

用熱熔物質(zhì)做指示劑隔膜的典型例子是3M公司Monitor Mark擴(kuò)散型指示器。具體示意圖如圖2所示，該指示器是一個內(nèi)部分作 a、b 兩部分的封閉盒體，a、b 之間即是用熱熔性聚酯膜層隔開。其中a室放入脂肪酸酯和藍(lán)色鈦酸酯的混合物，而b室內(nèi)是一條長長的吸液芯帶，該吸液芯帶用作指示劑擴(kuò)散用的軌道，其作用與上述熱熔蠟作指示劑的例子中毛細(xì)纖維的作用相同。工作原理是當(dāng)外界溫度達(dá)到隔膜熔點時，聚酯膜層熔化，指示劑被激活，a 室內(nèi)的混合物沿著 b 室的吸液芯帶的方向流動。工作人員可以通過垂直于吸液芯帶的 5 個小視窗觀察混合的流動進(jìn)程，當(dāng)混合物流到第 5 個視窗時說明產(chǎn)品已經(jīng)變質(zhì)不宜再使用。但是這種方法存在一些問題，比如蠟熔融后不會只沿著預(yù)設(shè)的軌道方向流動，它也會沿著垂直于軌道的方向流動，而且還會黏附到四周的材料上，從而對準(zhǔn)確監(jiān)測主體產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生一定程度的誤差。

聚合反應(yīng)型指示劑聚合反應(yīng)型指示劑分為兩類，一類是指二乙炔類帶有三鍵的炔屬試劑，當(dāng)此類指示劑受到外界環(huán)境能量激勵時三鍵即發(fā)生聚合反應(yīng)，隨著聚合反應(yīng)進(jìn)行在外觀上呈現(xiàn)出一系列顏色變化；另一類是利用淀粉、淀粉酶與碘發(fā)生聚合反應(yīng)而生成藍(lán)色包合物的指示劑。

用作指示劑的炔屬試劑都應(yīng)該包含以下結(jié)構(gòu)：R1C≡C—C≡CR2，當(dāng)該指示劑受到外界環(huán)境刺激（如高溫、高輻射）時—C≡C—會發(fā)生聚合反應(yīng)，生成結(jié)構(gòu)為 R1[—C=C—C=C—]R2的聚合物，此類二乙炔類化合物除了發(fā)生 1,4 聚合還有可能發(fā)生1,6 聚合。一般用到的炔屬試劑為 5,7-十二二炔-1,12二元醇雙（十八烷基氨基甲酸乙酯）和 5,7-十二二炔-1,12 雙（丁氧羰基氨基甲酸乙酯）；被乙基、丙基、辛基取代的 2,4-己二炔-1,6-雙（烷基脲）的化合物；2,4-己二炔-1,6-雙（丙基脲）和 2,4-己二炔-1,6-雙（乙基脲）的共結(jié)晶化合物以及其它從非均相混合液中用共沉積的方法得到的其它化合物。

聚合反應(yīng)速率隨溫度升高而加快，在吸收光譜上表現(xiàn)為可見吸收峰從高波段向低波段轉(zhuǎn)移，在外觀上表現(xiàn)為指示劑顏色加深或色密度發(fā)生變化：如聚二乙炔從藍(lán)色變?yōu)榧t色或者由紅色變?yōu)辄S色。

關(guān)于炔屬試劑聚合原理，至今還沒有確切建立起來。早期人們認(rèn)為聚二乙炔色變是由共軛主鏈構(gòu)型改變引起的，認(rèn)為藍(lán)相時聚二乙炔的主鏈為烯炔結(jié)構(gòu)，而紅相時聚二乙炔的主鏈為三烯結(jié)構(gòu)。然而，這一理論很快就被量子化學(xué)計算結(jié)果和檢晶儀的測試數(shù)據(jù)所否定。在隨后的研究中先后提出了聚二乙炔平面構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)榉瞧矫鏄?gòu)型、共軛主鏈的有效共軛鏈長變短等理論，但先后都被實驗事實所否定。

隨著研究的深入，現(xiàn)在比較廣泛地為人們所接受的機(jī)理是聚二乙炔的共軛主鏈與側(cè)基的相互作用。其實該相互作用在二乙炔單體發(fā)生固相聚合時就已經(jīng)發(fā)生了。在固相聚合時，二炔分子端基碳原子的雜化形式由原來的 sp 轉(zhuǎn)化為 sp2，鍵角也由原來的 180°轉(zhuǎn)變?yōu)?120°。而在晶格中排列的側(cè)基抵制二炔基團(tuán)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因此在聚合過程中聚二乙炔體系中積累了內(nèi)應(yīng)力。在受到加熱、輻射等外界刺激的情況下，側(cè)基發(fā)生波動或者構(gòu)型轉(zhuǎn)變，減弱了內(nèi)應(yīng)力使得主鏈中的 C—C 鍵可以發(fā)生扭轉(zhuǎn)，以便主鏈轉(zhuǎn)變到相對松弛的構(gòu)象。在外界熱刺激下側(cè)鏈獲得運動能量，改變了自身的構(gòu)型或者構(gòu)象從而影響了共軛主鏈的構(gòu)型或者構(gòu)象，使得聚合過程中累積的能量得以釋放。主鏈中 C—C 鍵的交迭扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變了主鏈的構(gòu)象，宏觀上表現(xiàn)為吸收光譜的色變行為。

現(xiàn)在研究較多的炔屬試劑指示劑是將炔屬試劑做成指示劑油墨，該油墨是由炔屬試劑單體、液態(tài)介質(zhì)以及非氣態(tài)的反應(yīng)增強(qiáng)劑（reactivity-enhanced adjuvant）三部分所組成的。具體組成及比例參見美國專利號為 PCT/US2007/071868 的專利。該指示劑油墨體系是將助劑溶解于液相介質(zhì)中，而將炔屬試劑制成顆粒狀分散于液相介質(zhì)中，助劑即是在固液兩相相界面上起效。為了做出更加精確地指示商品貨架期的指示劑，現(xiàn)在更先進(jìn)的方法是將指示劑做成微膠囊型：將炔屬試劑包覆于特殊材料內(nèi)部，形成核殼結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部指示劑在需要的時候再釋放出來，從而可以更加精確地指示出主體產(chǎn)品的剩余貨架期。微膠囊的特殊結(jié)構(gòu)使囊心與外界環(huán)境相互隔離，使其免受外界溫度、氧氣和紫外線等因素的影響，避免環(huán)境影響，降低毒性，掩蔽不良味道，具有控制核心釋放，延長存儲期，改變物態(tài)便于攜帶和運輸，改變物性使不能相容的成分均勻混合，易于降解等優(yōu)點。

酶反應(yīng)型指示劑該類型指示劑在國外運用較多，多是以過氧化物酶或耐高溫α-淀粉酶作指示劑來制作時間溫度指示劑。國內(nèi)研究這類指示劑的報道主要有蔡華偉等以淀粉酶、淀粉和碘為原料，利用淀粉與淀粉酶的反應(yīng)，以碘為指示劑制備出了淀粉酶指示卡。基本原理是淀粉遇碘生成藍(lán)色包合物，其顏色隨著該包合物的聚合度變大而變化，技術(shù)人員可以通過觀察指示器顏色而得出商品質(zhì)量是否合格。還有寧鵬等通過監(jiān)測反應(yīng)體系的 pH 值變化來指示時間溫度的積累效應(yīng)。

指示劑的制備指示劑薄膜的制備制備薄膜指示劑的方法主要有：旋轉(zhuǎn)涂膜、溶液結(jié)晶、LB（langmuir-blodgett）成膜、真空沉積等。近年來，隨著納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們提出了一種制備聚二乙炔薄膜的新方法——靜電自組裝技術(shù)（electronic self-assembly，ESA）。靜電自組裝技術(shù)是利用高分子電解質(zhì)稀溶液中相反電荷同步吸收的原理，在固體襯底上生成多層薄膜。此種方法具有可以調(diào)整和控制薄膜結(jié)構(gòu)、組成和厚度的優(yōu)點。Sadagopan 等運用 Langmuir-Blodgett 成膜技術(shù)制備出了 PDA 納米薄膜；Rangel-Rojo R 等指出，ESA 雖然可以成功制備出納米 PDA，但是不適合實際應(yīng)用。現(xiàn)在指示劑的研究發(fā)展方向為微膠囊型可控釋放指示劑。

微膠囊指示劑的制備制備微膠囊型指示劑的方法分為物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)法?？紤]到成本、原料性能等因素，大多采用化學(xué)法制備微膠囊，其中化學(xué)法中的界面聚合法比較適合于制備二乙炔型指示劑。由于二乙炔不溶于水，溶于乙醇，易溶于乙醚，可以先將油溶性炔屬試劑單體（通過實驗驗證看哪種最適合）溶于有機(jī)溶劑，然后將此溶液在水中分散成很細(xì)的液滴，再在不斷攪拌下往水相中加入含有水溶性單體的水溶液，于是在液滴表面上很快形成一層很薄的聚合物膜。經(jīng)沉淀、過濾和干燥工序后，便得到包有液滴的微膠囊。國內(nèi)做過微膠囊指示劑的不是很多，王金鵬等選擇了用α-淀粉酶作指示劑，將該指示劑裝入兩端封端的毛細(xì)管中即制成簡易的膠囊型指示劑，再放入冷藏室中備用。還有袁曦明等以酸堿指示劑和 pH 值變化的熔融化合物作為芯材制備出了可逆變色的微膠囊。

指示劑粒徑控制為了保證炔屬試劑在印刷過程中具有理想的一致性和再現(xiàn)性，要求制備得到的炔屬試劑顆粒尺寸分布均勻，要求尺寸大約在 12 μm、10 μm 甚至更小，同時還要求指示劑顆粒尺寸分布范圍足夠窄，因為指示劑大顆粒的存在會影響油墨的整體性能，對印刷特性有很多不利影響，粒徑小的顆粒有助于提高指示劑油墨的商業(yè)性能。在制備過程中，通常是通過迅速結(jié)晶來產(chǎn)生較小的晶體，但是由一些常規(guī)方法獲得的沉淀顆粒是不理想的大尺寸，所以就需要對未加工的炔屬試劑晶體通過用輥式粉碎機(jī)、球磨機(jī)、高速剪切裝置等裝置來對不符合要求的大顆粒進(jìn)行研磨、粉碎、磨制或者其它方式進(jìn)行機(jī)械粉碎。

然而機(jī)械粉碎有其固有的缺點：其一是機(jī)械粉碎向整個制備過程增加了許多昂貴的操作步驟，增加了不必要的成本；其二是機(jī)械作用增加了樣品的熱量，引發(fā)了指示劑聚合反應(yīng)，從而會導(dǎo)致出現(xiàn)我們不希望出現(xiàn)的顯色；其三是機(jī)械粉碎制備的油墨的質(zhì)量可能不一致或者無法令人滿意。在一項新發(fā)明中提出了解決上述問題的方法，該發(fā)明是通過將熱炔屬試劑與冷沉淀流體進(jìn)行對流，同時對溫度加以控制來獲得較小尺寸的炔屬試劑顆粒的。此過程要求的溫度范圍是從炔屬試劑的熱溶液溫度降到比該炔屬試劑的重結(jié)晶溫度再低至少 35 ℃，并且在整個重結(jié)晶過程中都要保持在這一溫度范圍內(nèi)。然而低于零度的溫度由于技術(shù)難以實現(xiàn)且成本高昂，所以大多使用 0～5℃的溫度范圍。具體用到的試劑及用量參見該發(fā)明。

指示劑的選擇及應(yīng)用炔屬試劑的選擇范圍要發(fā)生固相聚合反應(yīng)的條件是二乙炔分子在晶體中的兩個填充參數(shù) d（晶體中兩個分子間的距離）和θ（二炔棒和填充軸之間的夾角），其中d約為0.5 nm，θ約為45°。研究表明，隨著共軛三鍵長度的變長，反應(yīng)變得更加活潑，側(cè)鏈結(jié)構(gòu)在聚合反應(yīng)過程中發(fā)揮了較大的作用，反應(yīng)后可以獲得結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的聚合物。

在選擇指示劑的時候要根據(jù)不同的主體產(chǎn)品來選擇合適的指示劑。比如要使指示劑與主體產(chǎn)品的活化能較好地相符，同時還希望指示劑發(fā)生反應(yīng)時所對應(yīng)的顏色變化速率常數(shù)與主體產(chǎn)品變質(zhì)速率常數(shù)能較好的吻合，否則指示劑會在高溫或低溫下發(fā)生提前預(yù)聚或延遲聚合（取決于主體產(chǎn)品的活化能高于還是低于指示劑材料的活化能）從而給出錯誤的顏色變化信號；同時還要考慮指示劑的可靠性和一致性。

此外，還希望指示劑具有低成本、低毒性、可印刷等特性，而且能夠在顏色變化曲線的終點提供尖銳的波峰（從而使得顏色變化結(jié)點與兩側(cè)的顏色形成鮮明對比）、具有良好的顏料特性包括能光滑流暢地印刷于基質(zhì)（如標(biāo)簽）表面等特點。不同的用途對指示劑特性的要求也不相同，可以用 XRD 和NMR 來檢測新型炔屬試劑單體的物理特性從而使之與主體產(chǎn)品最大程度地相匹配。

這樣一來可供選擇的指示劑范圍就大大縮小了。一種擴(kuò)大指示劑與主體產(chǎn)品選擇范圍的方法是改變給定的炔屬試劑單體的反應(yīng)性使得指示劑在指定條件下產(chǎn)生不同響應(yīng)，這樣一來一種單體就可以根據(jù)被改性的炔屬試劑的不同方法來提供兩種及兩種以上的顏色變化1。

炔屬試劑的改性為了擴(kuò)大特定主體產(chǎn)品所用指示劑的選擇范圍，可以用冰水浴將炔屬試劑的不同比例的混合物溶于乙酸溶液中，再從其沸點（約110～115℃）攪拌冷卻到20℃。通常用到的溶劑體系有乙酸、丙酸、二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、甲醇、甲酸、乙二醇、丙烯醇、2-氨基乙醇、1,1,3,3,-四甲基尿素、二氯乙酸、三氟乙酸，還有一些溶劑混合物如水和以上各個試劑的不同比例的混合溶液。需要將做成固體顆粒狀的炔屬試劑分散到液體介質(zhì)中，可以通過控制指示劑顆粒的大小來決定指示劑油墨是否透明2。

炔屬試劑的應(yīng)用因為在指示劑的使用過程中，不可避免的會受到除了溫度以外的其它因素的影響，比如紫外線輻射等。這些因素可能會引發(fā)炔屬單體過早聚合從而引起指示劑顏色變化，進(jìn)而影響人們對該產(chǎn)品是否過期的判斷。所以在制備指示劑之前就應(yīng)該提前做好防護(hù)措施，減少紫外線的影響。人們可以通過給指示劑表面覆蓋一層抵抗紫外線的保護(hù)膜來達(dá)到這一目的。時間溫度指示劑可以用于實時監(jiān)測牛奶、干酪、冷凍漢堡、番茄、蘑菇、海產(chǎn)品、冰凍牛肉等產(chǎn)品在運輸、貯存以及銷售過程中的安全性，具有較準(zhǔn)確地指示產(chǎn)品質(zhì)量、剩余貨架期以及預(yù)測產(chǎn)品安全性等作用。

聚二乙炔不同的聚集狀態(tài)有多種不同的用途，其中溶膠態(tài)適合于大規(guī)模液體藥物生產(chǎn)過程中的藥物跟蹤探測，而固體或者凝膠態(tài)的聚二乙炔更適合于簡易粗放的探測方式。二乙炔聚集形式的多樣性為聚二乙炔的應(yīng)用前景提供了廣闊的應(yīng)用平臺3。