时间温度指示剂研究进展

成 欢，朱光明，宋 蕊

（西北工业大学理学院，陕西 西安 710129）

在商品流通过程中，温度、空气相对湿度、气体以及光线辐射等因素都会影响产品的变质速率。而在这些因素中，温度是最难调控的一项。产品腐烂变质的主要原因是微生物作用和酶的催化作用，而作用的强弱与所存放的温度密切相关[1]。为保证食品、疫苗等产品的安全，传统的做法是标定出保质期，保质期是指产品在最适宜的温度条件下能存放的时间，或者是将产品存放在最差条件下的时间极值。然而由于在产品流通过程中影响产品品质的各项因素都具有不可预知性，使得保质期与产品真正可以流通的期限无法达到完全一致，从而会导致保质期难以保证产品品质或者虽保质期已过而产品质量仍合格而造成的不必要的浪费。

随着技术进步，在监测食品、疫苗及饮料等主体产品的安全性过程中发明了时间-温度指示剂（TTIs），这是一种化学智能化包装标签，可以用来检测主体产品在流通过程中是否有违规操作，如是否曾被置于高温、高辐射等环境，可以高效地指示出产品的质量是否合格，及时反映出主体产品的实时质量信息，从而避免了传统做法标明保质期所造成的无法正确指示产品质量的问题，可以以商品的实际质量状况为前提，执行最短货架/最先销售的原则。

1 指示剂的种类

目前用到的时间温度指示剂（TTIs）根据指示原理主要分为扩散型、聚合反应型和酶反应型[2]；根据指示剂工作时的化学原理，又可以分为溶液扩散型和pH 变色反应型；根据传递信息的种类可以将温度指示剂分为临界温度指示剂、临界温度/时间积分器、时间温度指示器。本文按照指示原理对指示剂进行分类。

1.1 扩散型指示剂

根据布朗运动原理可知，物质的扩散速度随着温度的升高而加快。根据这一原理可以制备出两种扩散型指示剂，一种是将热熔型材料蜡作为指示剂主体，当蜡受热融化后即可沿着预先铺设好的毛细管流动而成为时间温度指示剂；另一种是在可以显色的指示剂与吸液芯带之间放置一层热熔型薄膜而制成的指示剂。两种指示剂的基本原理相同，只是在热熔型材料的选择和用途上稍有不同。

1.1.1 热熔蜡作指示剂

热熔蜡指示剂的主体部分是将热熔性固态蜡涂覆于毛细材料表面边缘处制成温度指示标签粘贴在主体产品外包装上。示意图如图1 所示[3]，图1中112 即为用到的热熔蜡指示剂，沿着图中哑铃型轴线方向铺设有毛细纤维（fiberious synthetic polymer），当主体产品暴露于较高温度环境下时，热熔性蜡达到其熔点开始逐步融化，之后热熔性蜡就会沿着毛细管方向流动，技术人员可以通过垂直于毛细管的视窗（viewing window）108 来观察蜡的流动进程。通常该视窗都做得非常小，位置设置在与主体产品的保质期阈值相对应的位置上，一旦可以从视窗处观察到熔融态蜡，就说明产品的质量已经发生了变化不能再使用。

图1 热熔蜡作指示剂[3]

由于外界环境的辐射也会影响蜡的流动特性，为减少光线辐射对实验造成的误差，可以在指示剂的外表面涂覆上一层防辐射材料，如ZnO、TiO2、有机化合物及其混合物或者其它可以吸收紫外辐射的材料。

1.1.2 热熔物质作指示剂隔膜

用热熔物质做指示剂隔膜的典型例子是3M 公司Monitor Mark 扩散型指示器。具体示意图如图2所示，该指示器是一个内部分作a、b 两部分的封闭盒体，a、b 之间即是用热熔性聚酯膜层隔开。其中a 室放入脂肪酸酯和蓝色钛酸酯的混合物，而b 室内是一条长长的吸液芯带，该吸液芯带用作指示剂扩散用的轨道，其作用与上述热熔蜡作指示剂的例子中毛细纤维的作用相同。工作原理是当外界温度达到隔膜熔点时，聚酯膜层熔化，指示剂被激活，a 室内的混合物沿着b 室的吸液芯带的方向流动。工作人员可以通过垂直于吸液芯带的5 个小视窗观察混合的流动进程，当混合物流到第5 个视窗时说明产品已经变质不宜再使用。

但是这种方法存在一些问题，比如蜡熔融后不会只沿着预设的轨道方向流动，它也会沿着垂直于轨道的方向流动，而且还会黏附到四周的材料上，从而对准确监测主体产品的质量产生一定程度的误差。

图2 3M 公司制作的Monitor Mark 扩散型指示器

1.2 聚合反应型指示剂

聚合反应型指示剂分为两类，一类是指二乙炔类带有三键的炔属试剂，当此类指示剂受到外界环境能量激励时三键即发生聚合反应，随着聚合反应进行在外观上呈现出一系列颜色变化；另一类是利用淀粉、淀粉酶与碘发生聚合反应而生成蓝色包合物的指示剂。

用作指示剂的炔属试剂都应该包含以下结构：R1C≡C—C≡CR2，当该指示剂受到外界环境刺激（如高温、高辐射）时—C≡C—会发生聚合反应，生成结构为R1[—C=C—C=C—]R2的聚合物，此类二乙炔类化合物除了发生1,4 聚合还有可能发生1,6 聚合。一般用到的炔属试剂为5,7-十二二炔-1,12二元醇双（十八烷基氨基甲酸乙酯）和5,7-十二二炔-1,12 双（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-双（烷基脲）的化合物；2,4-己二炔-1,6-双（丙基脲）和2,4-己二炔-1,6-双（乙基脲）的共结晶化合物以及其它从非均相混合液中用共沉积的方法得到的其它化合物。

聚合反应速率随温度升高而加快，在吸收光谱上表现为可见吸收峰从高波段向低波段转移，在外观上表现为指示剂颜色加深或色密度发生变化：如聚二乙炔从蓝色变为红色或者由红色变为黄色。

关于炔属试剂聚合原理，至今还没有确切建立起来。早期人们认为聚二乙炔色变是由共轭主链构型改变引起的[4-5]，认为蓝相时聚二乙炔的主链为烯炔结构，而红相时聚二乙炔的主链为三烯结构。然而，这一理论很快就被量子化学计算结果和检晶仪的测试数据所否定。在随后的研究中先后提出了聚二乙炔平面构型转变为非平面构型[6]、共轭主链的有效共轭链长变短[7]等理论，但先后都被实验事实所否定。

随着研究的深入，现在比较广泛地为人们所接受的机理是聚二乙炔的共轭主链与侧基的相互作用[8]。其实该相互作用在二乙炔单体发生固相聚合时就已经发生了。在固相聚合时，二炔分子端基碳原子的杂化形式由原来的sp 转化为sp2，键角也由原来的180°转变为120°。而在晶格中排列的侧基抵制二炔基团发生扭转，因此在聚合过程中聚二乙炔体系中积累了内应力。在受到加热、辐射等外界刺激的情况下，侧基发生波动或者构型转变，减弱了内应力使得主链中的C—C 键可以发生扭转，以便主链转变到相对松弛的构象。在外界热刺激下侧链获得运动能量，改变了自身的构型或者构象从而影响了共轭主链的构型或者构象，使得聚合过程中累积的能量得以释放。主链中C—C 键的交迭扭转转变了主链的构象，宏观上表现为吸收光谱的色变行为。

现在研究较多的炔属试剂指示剂是将炔属试剂做成指示剂油墨，该油墨是由炔属试剂单体、液态介质以及非气态的反应增强剂（reactivityenhanced adjuvant）三部分所组成的。具体组成及比例参见美国专利号为PCT/US2007/071868 的专利[9]。该指示剂油墨体系是将助剂溶解于液相介质中，而将炔属试剂制成颗粒状分散于液相介质中，助剂即是在固液两相相界面上起效。

为了做出更加精确地指示商品货架期的指示剂，现在更先进的方法是将指示剂做成微胶囊型：将炔属试剂包覆于特殊材料内部，形成核壳结构，使内部指示剂在需要的时候再释放出来，从而可以更加精确地指示出主体产品的剩余货架期。

微胶囊的特殊结构使囊心与外界环境相互隔离，使其免受外界温度、氧气和紫外线等因素的影响，避免环境影响，降低毒性，掩蔽不良味道，具有控制核心释放，延长存储期，改变物态便于携带和运输，改变物性使不能相容的成分均匀混合，易于降解等优点。

1.3 酶反应型指示剂

该类型指示剂在国外运用较多，多是以过氧化物酶或耐高温α-淀粉酶作指示剂来制作时间温度指示剂[10-12]。国内研究这类指示剂的报道主要有蔡华伟等[13]以淀粉酶、淀粉和碘为原料，利用淀粉与淀粉酶的反应，以碘为指示剂制备出了淀粉酶指示卡。基本原理是淀粉遇碘生成蓝色包合物，其颜色随着该包合物的聚合度变大而变化，技术人员可以通过观察指示器颜色而得出商品质量是否合格。还有宁鹏等[14]通过监测反应体系的pH 值变化来指示时间温度的积累效应。

2 指示剂的制备

2.1 指示剂薄膜的制备

制备薄膜指示剂的方法主要有：旋转涂膜、溶液结晶、LB（langmuir-blodgett）成膜、真空沉积等[15]。近年来，随着纳米科学技术的发展，人们提出了一种制备聚二乙炔薄膜的新方法——静电自组装技术（electronic self-assembly，ESA）[16]。静电自组装技术是利用高分子电解质稀溶液中相反电荷同步吸收的原理，在固体衬底上生成多层薄膜。此种方法具有可以调整和控制薄膜结构、组成和厚度的优点。

Sadagopan 等[17]运用Langmuir-Blodgett 成膜技术制备出了PDA 纳米薄膜；Rangel-Rojo R 等[18]指出，ESA 虽然可以成功制备出纳米PDA，但是不适合实际应用。现在指示剂的研究发展方向为微胶囊型可控释放指示剂。

2.2 微胶囊指示剂的制备

制备微胶囊型指示剂的方法分为物理法、化学法和物理化学法。考虑到成本、原料性能等因素，大多采用化学法制备微胶囊，其中化学法中的界面聚合法比较适合于制备二乙炔型指示剂。

由于二乙炔不溶于水，溶于乙醇，易溶于乙醚，可以先将油溶性炔属试剂单体（通过实验验证看哪种最适合）溶于有机溶剂，然后将此溶液在水中分散成很细的液滴，再在不断搅拌下往水相中加入含有水溶性单体的水溶液，于是在液滴表面上很快形成一层很薄的聚合物膜。经沉淀、过滤和干燥工序后，便得到包有液滴的微胶囊。

国内做过微胶囊指示剂的不是很多，王金鹏等[19]选择了用α-淀粉酶作指示剂，将该指示剂装入两端封端的毛细管中即制成简易的胶囊型指示剂，再放入冷藏室中备用。还有袁曦明等[20]以酸碱指示剂和pH 值变化的熔融化合物作为芯材制备出了可逆变色的微胶囊。

2.3 指示剂粒径控制

为了保证炔属试剂在印刷过程中具有理想的一致性和再现性，要求制备得到的炔属试剂颗粒尺寸分布均匀，要求尺寸大约在12 μm、10 μm 甚至更小，同时还要求指示剂颗粒尺寸分布范围足够窄，因为指示剂大颗粒的存在会影响油墨的整体性能，对印刷特性有很多不利影响，粒径小的颗粒有助于提高指示剂油墨的商业性能。

在制备过程中，通常是通过迅速结晶来产生较小的晶体，但是由一些常规方法获得的沉淀颗粒是不理想的大尺寸，所以就需要对未加工的炔属试剂晶体通过用辊式粉碎机、球磨机、高速剪切装置等装置来对不符合要求的大颗粒进行研磨、粉碎、磨制或者其它方式进行机械粉碎。

然而机械粉碎有其固有的缺点：其一是机械粉碎向整个制备过程增加了许多昂贵的操作步骤，增加了不必要的成本；其二是机械作用增加了样品的热量，引发了指示剂聚合反应，从而会导致出现我们不希望出现的显色；其三是机械粉碎制备的油墨的质量可能不一致或者无法令人满意。

在一项新发明[21]中提出了解决上述问题的方法，该发明是通过将热炔属试剂与冷沉淀流体进行对流，同时对温度加以控制来获得较小尺寸的炔属试剂颗粒的。此过程要求的温度范围是从炔属试剂的热溶液温度降到比该炔属试剂的重结晶温度再低至少35 ℃，并且在整个重结晶过程中都要保持在这一温度范围内。然而低于零度的温度由于技术难以实现且成本高昂，所以大多使用0～5℃的温度范围。具体用到的试剂及用量参见该发明。

3 指示剂的选择及应用

3.1 炔属试剂的选择范围

要发生固相聚合反应的条件是二乙炔分子在晶体中的两个填充参数d（晶体中两个分子间的距离）和θ（二炔棒和填充轴之间的夹角），其中d 约为0.5 nm，θ约为45°[22-24]。

研究表明，随着共轭三键长度的变长，反应变得更加活泼，侧链结构在聚合反应过程中发挥了较大的作用，反应后可以获得结构更加稳定的聚合物[15，25]。在选择指示剂的时候要根据不同的主体产品来选择合适的指示剂。比如要使指示剂与主体产品的活化能较好地相符，同时还希望指示剂发生反应时所对应的颜色变化速率常数与主体产品变质速率常数能较好的吻合，否则指示剂会在高温或低温下发生提前预聚或延迟聚合（取决于主体产品的活化能高于还是低于指示剂材料的活化能）从而给出错误的颜色变化信号；同时还要考虑指示剂的可靠性和一致性。

此外，还希望指示剂具有低成本、低毒性、可印刷等特性，而且能够在颜色变化曲线的终点提供尖锐的波峰（从而使得颜色变化结点与两侧的颜色形成鲜明对比）、具有良好的颜料特性包括能光滑流畅地印刷于基质（如标签）表面等特点。不同的用途对指示剂特性的要求也不相同，可以用XRD 和NMR 来检测新型炔属试剂单体的物理特性从而使之与主体产品最大程度地相匹配。

这样一来可供选择的指示剂范围就大大缩小了。一种扩大指示剂与主体产品选择范围的方法是改变给定的炔属试剂单体的反应性使得指示剂在指定条件下产生不同响应，这样一来一种单体就可以根据被改性的炔属试剂的不同方法来提供两种及两种以上的颜色变化。

3.2 炔属试剂的改性

为了扩大特定主体产品所用指示剂的选择范围，可以用冰水浴将炔属试剂的不同比例的混合物溶于乙酸溶液中，再从其沸点（约110～115 ℃）搅拌冷却到20 ℃。通常用到的溶剂体系有乙酸、丙酸、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、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，还有一些溶剂混合物如水和以上各个试剂的不同比例的混合溶液。需要将做成固体颗粒状的炔属试剂分散到液体介质中，可以通过控制指示剂颗粒的大小来决定指示剂油墨是否透明。

3.3 炔属试剂的应用

因为在指示剂的使用过程中，不可避免的会受到除了温度以外的其它因素的影响，比如紫外线辐射等。这些因素可能会引发炔属单体过早聚合从而引起指示剂颜色变化，进而影响人们对该产品是否过期的判断。所以在制备指示剂之前就应该提前做好防护措施，减少紫外线的影响。人们可以通过给指示剂表面覆盖一层抵抗紫外线的保护膜来达到这一目的。

时间温度指示剂可以用于实时监测牛奶[26]、干酪[27]、冷冻汉堡[28]、番茄[29]、蘑菇[30]、海产品[31]、冰冻牛肉[32]等产品在运输、贮存以及销售过程中的安全性，具有较准确地指示产品质量、剩余货架期以及预测产品安全性等作用[33-36]。

聚二乙炔不同的聚集状态有多种不同的用途，其中溶胶态适合于大规模液体药物生产过程中的药物跟踪探测，而固体或者凝胶态的聚二乙炔更适合于简易粗放的探测方式。二乙炔聚集形式的多样性为聚二乙炔的应用前景提供了广阔的应用平台。

4 展 望

我国关于时间温度指示器的工作还处于起步阶段，研究不多，应用也很少，现在研究较多且比较有前景的时间温度指示剂是二乙炔指示剂。但是由于二乙炔取代基的不同以及分子碳链长短不一，导致二乙炔种类非常多，而要使二乙炔能够作为时间温度指示剂使用的还必须满足一定的结构条件，并非所有结构的二乙炔都能够作为指示剂使用。所以在接下来的工作中需要探索总结出能够作为指示剂使用的二乙炔的种类；为了使该指示剂更加准确的指示出主体产品的质量，还需要研究出二乙炔详细的变色机理；为了使该指示剂实用化，现在研究的方向是将其做成微胶囊型，为了使其更加准确地指示产品质量，还需要通过特殊方法控制囊芯二乙炔的释放。要制备出满足要求的微胶囊指示剂，需要解决壁材、芯材各需什么材料，如何控制其缓释效果等问题，此外还需使微胶囊具备粒径分布均匀、反应性良好等优点。为了使时间温度指示剂（TTI）的应用范围进一步扩大，还有许多研究工作需要人们去做。

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