背景介紹

冷鏈物流涉及一系列不間斷的流程、設(shè)備和協(xié)議，以保持低溫安全運輸和儲存對溫度敏感的貨物和產(chǎn)品。在醫(yī)療保健行業(yè)，溫度控制不足可能導(dǎo)致藥物和疫苗的效力降低甚至產(chǎn)生毒性。為了避免這個問題，醫(yī)藥產(chǎn)品通常在2-8 °C的溫度范圍內(nèi)運輸和儲存；然而，有些疫苗需要低溫冷凍。例如，為了提高信使 RNA（mRNA）的穩(wěn)定性，幾種COVID-19 疫苗已在低于 -15 °C的溫度下儲存。

研究出發(fā)點

溫度違規(guī)由不同類型的指示器報告。射頻識別 （RFID）標簽和時間溫度指示器（TTIs）用于監(jiān)測溫度波動，尤其是在超過預(yù)先設(shè)定的閾值溫度Tt’的情況下。然而，這些設(shè)備成本高、易碎，并且依賴于電池。具有集成TTIs的RFID標簽利用高溫下的液體熔化變得越來越普遍，然而，與含水產(chǎn)品相比，它們更適用于干燥產(chǎn)品。其他類型的指示劑使用不同類型的染料、溶劑和聚合物。熱致變色指示劑的局限性包括染料的熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性不足，以及常用多孔膜的老化，這兩者都對指示劑的準確性產(chǎn)生不利影響。許多TTIs的監(jiān)控溫度范圍不夠?qū)挕?/p>

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基于此，多倫多大學(xué)的Eugenia Kumacheva教授報告了一種源自纖維素納米晶體（CNCs）和碳點（C-dots）的納米結(jié)構(gòu)溶劑致變色溫度指示器。C-dot/CNC納米材料的使用使溫度指示器易于使用，而直接在CNCs表面合成C-dots（而不是將C-dots與CNCs混合）防止C-dots浮動或結(jié)塊使材料尺寸變大。為了開發(fā)溫度指示器，作者利用了兩個關(guān)鍵特征之間的相關(guān)性：（i）水和二甲亞砜（DMSO）的非理想混合物的Tm的組成依賴性變化；（ii）C-dots的溶劑化變色特性隨水/DMSO混合物的組成的強烈非線性變化。更具體地，具有特定組成的混合水/DMSO溶劑的熔化以及用這種溶劑浸漬C-dot/CNC薄膜導(dǎo)致碳點的光致發(fā)（PL）發(fā)射波長和PL發(fā)射強度發(fā)生不可逆的變化，從而報告薄膜溫度超過Tt·的增加。這種不可逆的納米結(jié)構(gòu)溫度指示器具有成本效益且用戶友好。它在非常低的溫度下有效工作，可用于報告廣泛（>80 °C）溫度范圍內(nèi)的溫度控制違規(guī)。文章以“Nanostructured Temperature Indicator for Cold Chain Logistics”為題發(fā)表在?ACS Nano?上。

圖文解析

圖1a說明了通過使用CNCs作為底物和碳源來合成碳點。CNCs表面上的水解糖部分與乙二胺反應(yīng)并充當成核點。CNCs的表面官能團和大表面積使其易于進行縮合（去除水分子）、聚合（交聯(lián)）和碳化反應(yīng)。X射線衍射（XRD）分析用于表征碳點合成過程中CNCs結(jié)構(gòu)的變化。圖1b顯示了CNCs和C-dot/CNC的XRD圖。兩個衍射圖均在14.7、16.5、22.5和35°處顯示峰，這是結(jié)晶纖維素的特征，分別對應(yīng)于（101）、（10"1"）、（002）和（040）平面。CNCs和C-dot/CNC的結(jié)晶度從62%下降到57%，表明C-dots合成對CNCs結(jié)構(gòu)的影響較弱。圖1c顯示了CNCs（左）和C-dot/CNC（右）的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。合成了尺寸在4.5-12.5 nm范圍內(nèi)的碳點，顯示出在CNCs表面合并的趨勢。各自的PL發(fā)射峰集中在472和581 nm。圖1d中的插圖顯示了C-dot/CNC懸浮液在DMSO中的相應(yīng)照片，λex=380 nm（左）和 λex=530 nm（右），PL發(fā)射顏色有明顯差異。

圖 1. 混合C-dot/CNC納米粒子的性質(zhì)。（a）CNCs表面C-dot的合成方案。（b）CNCs（綠線）和C-dot/CNCs（紫線）的XRD光譜。（c）CNCs（左）和C-dot/CNC（右）的TEM圖像。（d）分散在DMSO中的C-dot/CNC懸浮液的光致發(fā)光光譜，λex=380 nm（藍線）和λex=530 nm（橙線）。

在水和DMSO的混合物中檢測了C-dot/CNC的溶劑致變色特性（相應(yīng)的介電常數(shù)為80.1和46.7）。圖2a、b顯示了C-dot/CNC懸浮液在水/DMSO溶劑中的PL發(fā)射光譜，其中水體積分數(shù)φw不同。隨著φw的增加，PL發(fā)射波長λem發(fā)生藍移，并且PL強度降低（圖2a、b）。圖2a、b中的插圖顯示了C-dot/CNC分散體的顏色變化，φw從0到1.0：在λex=380 nm處從綠色變?yōu)樯钏{色，在λex=530 nm處從橙色變?yōu)榫G色。圖2c-f顯示了C-dot/CNC色散的λem和PL強度作為φw的函數(shù)的依賴性。對于使用的兩種激發(fā)波長，PL發(fā)射的變化表現(xiàn)出三種狀態(tài)，在φw≤0.35和0.45≤φw≤1.0時，PL強度和λem藍移逐漸降低，并且在0.35≤φw≤ 0.45時兩個特性都發(fā)生了急劇變化。作者將圖2中所示的溶劑致變色效應(yīng)歸因于溶劑極性的變化及其與碳點表面的氫鍵鍵合。此外，在碳點中，電荷可以在碳邊緣、表面官能團和溶劑的振動模式之間轉(zhuǎn)移。與溶劑直接接觸的碳點的表面-COOH、-C-H、-C=O和-OH基團可以與溶劑分子形成氫鍵，這會將發(fā)射物質(zhì)鎖定在碳點表面并抑制它們的分子內(nèi)運動。

圖2. C-dot/CNC在水/DMSO溶劑中的光致發(fā)光特性。（a）分散在水/DMSO混合物中的C-dot/CNC懸浮液的光致發(fā)光光譜，在λex=380 nm處φw為0（1）、0.35（2）、0.40（3）和1.0（4）。（b）分散在水/DMSO混合物中的C-dot/CNC懸浮液的光致發(fā)光光譜，在λex=530 nm處φw為0（1）、0.35、（2）0.40、（3）?和1.0（4）。（c, d）PL發(fā)射波長λem的變化，水/DMSO混合物的組成在λex為 380 nm（c）和530 nm（d）。（e, f）PL發(fā)射強度隨水/DMSO混合物的組成在λex=380 nm（e）和λex=530 nm（f）的變化。

然后，作者通過干燥 0.2 wt% C-dot/CNC懸浮液來形成薄膜。薄膜堅固，楊氏模量為137±10 MPa。這些薄膜在φw為0、0.07、0.17、0.33和1.0的溶劑中的平衡溶脹度為250±50%。C-dot/CNCs的溶劑致變色特性保留在固體薄膜中。當在λex=530 nm處照射0.5 mm厚的薄膜時（圖3），在反射模式下觀察到綠色PL發(fā)射。用φw≤0.35的水/DMSO 混合物浸漬該薄膜會導(dǎo)致PL發(fā)射顏色從綠色到橙色明顯變化，而對于φw≥0.4，薄膜呈現(xiàn)綠色（圖3）。

圖 3. C-dot/CNC薄膜的圖像。上圖：干燥的C-dot/CNC薄膜的圖像。底部：浸漬有不同φw的水/DMSO混合物的薄膜圖像。比例尺為1 mm。λex=530 nm。圖像是在反射模式下拍攝的。

水/DMSO混合物的組成對其熔化溫度Tm有很大影響，如圖4a所示。從純 DMSO的Tm=18.55 °C開始，添加水導(dǎo)致混合溶劑的Tm急劇下降，在φw=0.33時達到-68.1 °C。圖4b顯示，對于溶劑中的C-dot/CNC懸浮液進行冷凍-熔融-冷凍循環(huán)，PL發(fā)射波長的偏移為±5 nm，即λem沒有發(fā)生顯著變化。

圖 4. 水/DMSO溶劑的性質(zhì)與C-dot/CNC的PL性質(zhì)之間的相關(guān)性。（a）?具有不同成分的水/DMSO溶液的熔化溫度變化。（b）在冷凍-熔化-冷凍循環(huán)中，C-dot/CNC懸浮液的λem在λex=530 nm處的光譜位置。

作者利用了水/DMSO混合物的組成變化對其Tm的影響以及納米結(jié)構(gòu)溫度指示器中碳點/CNC薄膜的PL特性的非線性變化。圖5a說明C-dot/CNC溫度指示器的操作概念，該指示器由兩個與通道相連的隔室組成。一個隔間裝有水/DMSO溶劑，另一個裝有干燥的C-dot/CNC薄膜。C-dot/CNC薄膜保持干燥，在λex=530 nm的照明下，它呈現(xiàn)綠色（圖5a）。對于T>Tt，水/DMSO混合物熔化并從溶劑室流向C-dot/CNC室，從而導(dǎo)致薄膜的PL發(fā)射顏色從綠色變?yōu)槌壬?。PL發(fā)射的變化是不可逆的，當溶劑重新冷凍到T≤Tt的范圍時，C-dot/CNC薄膜保持其橙色（圖5a）。因此，在Tt中臨時違規(guī)的薄膜顏色報告的變化。圖5b說明了C-dot/CNC溫度指示器的性能。為了覆蓋從-68到+4 °C的溫度范圍，作者使用φw為0.07、0.17和0.33的水/DMSO混合物，Tm值分別為+5、-19和 -67 °C。圖5b，左圖顯示在Tt時，原始干燥的C-dot/CNC薄膜呈現(xiàn)綠色。將指示劑溫度T提高到+6 °C導(dǎo)致溶劑混合物的熔化和C-dot/CNC薄膜的浸漬。結(jié)果，薄膜將PL發(fā)射顏色從綠色變?yōu)槌壬?。圖5c顯示，對于-20 °C≤T≤+4 °C，含有冷凍水/DMSO溶劑且φw=0.07的指示劑保持綠色，而其他兩種混合溶劑的指示劑φw為0.17和0.33從綠色到橙色的PL發(fā)射顏色變化。對于-68 °C≤T≤-20 °C范圍內(nèi)的溫度（圖5c），φw為0.07和0.17的兩個指標保持綠色，而混合溶劑在φw= 0.33的第三個指標獲得橙色顏色。

圖 5. 納米結(jié)構(gòu)的溶劑化變色溫度指示劑。（a）溶劑化變色溫度指示器的操作。（b）左：干C-dot/CNC薄膜；中：C-dot/CNC薄膜對違反Tt的響應(yīng)，λex=530 nm。右圖：溶劑浸漬C-dot/CNC薄膜的再冷凍，在λex=530 nm處薄膜PL發(fā)射顏色沒有顯著變化。（c）溫度范圍-20 °C<t<+4 °c（頂部）和-68="" °c<t<-20="" °c（底部）內(nèi)溫度指示器組合的操作示例。<="" span="">

當溶劑在T≤Tt冷凍時，C-dot/CNC薄膜保持干燥，并且在λex=532 nm時，到達光電探測器的光強度較低（圖6a，左）。當在T>Tt時違反閾值溫度范圍時，熔融水/DMSO溶劑填充C-dot/CNC薄膜，從而改變PL發(fā)射的顏色。在λex=532 nm處的薄膜照明導(dǎo)致高光強度（圖6a，右）。圖6b顯示了溫度指示器在Tt=4 °C（φw=0.07）時的響應(yīng)。在T≤4 °C時，混合溶劑被冷凍，C-dot/CNC薄膜干燥。在λex=530 nm處，通過濾光片的歸一化檢測光強度為沒有濾光片到達檢測器的光強度的24.8±0.5%（最大光強度）。在T=6 °C時，水/DMSO混合物熔化，溶劑浸漬C-dot/CNC薄膜。通過濾光器的光束的歸一化光強度為最大光強度的89.7±0.4%。在三個冷凍-熔化-冷凍循環(huán)中，指標的PL強度為89.7±0.4%。當光強度為最大光強度的40%時（圖6b中的水平虛線），做出有關(guān)溫度違規(guī)的決定。

圖6. 納米結(jié)構(gòu)溶劑化變色C-dot/CNC指示器在透射模式下的操作。（a）C-dot/CNC指示器的操作示意圖。（b）通過測量歸一化PL強度來指示溫度違規(guī)。

總結(jié)與展望

總之，作者采用了納米結(jié)構(gòu)C-dot/CNC薄膜的非線性溶劑致變色和激發(fā)依賴性行為與不可逆溫度指標中水/DMSO 溶劑熔融溫度的強成分依賴性變化之間的相關(guān)性。展示了使用自動閱讀器在廣泛的溫度范圍內(nèi)定性和定量地報告溫度違規(guī)的能力。在寬溫度范圍內(nèi)檢測溫度違規(guī)的能力使其在冷鏈物流中特別有前途。作者展示了納米結(jié)構(gòu)指示器在世界衛(wèi)生組織推薦的用于儲存疫苗、冷藏和冷凍食品的溫度以及臨床試驗場所使用的冷凍機溫度下的性能。報告的納米結(jié)構(gòu)溫度指示器堅固、穩(wěn)定、用戶友好且具有成本效益。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11421

來源：碳點之光