在食品安全應用中，準確驗證UV-C消毒效果需要可靠地測量表面接收的輻射劑量；然而，現有的方法如生物劑量測定、化學光度測量和計算流體動力學（CFD）受到復雜幾何形狀、表面不均勻性的限制，且無法捕捉累積的表面暴露量。這迫切需要簡單、能夠響應表面變化的UV-C劑量測量工具來支持實際的消毒效果驗證。本研究開發了基于累積顏色變化的放射性染色薄膜（RCFs），其中含有白孔雀石綠（LMG）和螺吡喃（SP）衍生物（1′,3′-二氫-8-甲氧基-1′,3′,3′-三甲基-6-硝基螺吡喃）。由于染料濃度和薄膜厚度直接影響靈敏度、飽和度和可用劑量范圍，因此使用三種染料濃度（3、5和7 phr）以及三種澆鑄厚度（60、90和120 μm）系統地評估了它們的效果，以確定最佳配方。
澆鑄厚度為90 μm的薄膜顯示出更優異的機械性能和更快的顏色響應。LMG薄膜的最佳染料濃度為3 phr（LMG390），SP薄膜的最佳染料濃度為5 phr（SP590）：SP薄膜在低劑量（≤283 mJ·cm?2）下具有更高的靈敏度，而LMG薄膜在較高劑量（≤1890 mJ·cm?2）下仍有效。差示掃描量熱法（DSC）分析顯示，SP薄膜比LMG薄膜更均勻地融入聚丁醛（PVB）基體中。當這些薄膜直接應用于處理過的表面時，可以通過可見顏色變化來整合空間分辨和累積的UV-C暴露量，從而提供一種快速、可調且與表面相關的比色劑量測量方法，用于實際驗證食品和食品接觸表面的UV-C劑量傳遞。
引言
紫外線（UV）輻射是一種非熱、非電離的處理方式，分為幾個子范圍：UV真空（100–200 nm，UV-V）、UV-C（200–280 nm）、UV-B（280–315 nm）和UV-A（315–400 nm）。在食品工業中，UV-C是最優選的形式，因為它在260–280 nm范圍內對微生物具有致命作用（Guerrero-Beltran & Ochoa-Velasco, 2020）。UV-C通常用于空氣消毒、透明液態食品的巴氏殺菌以及食品和食品接觸表面的消毒。這是一種安全、節能且無殘留的表面去污方法；然而，由于其有限的穿透能力和對不規則表面的無效性（由于存在“盲點”），因此需要準確確定UV劑量（Barut G?k et al., 2021; Choudhary & Bandla, 2012）。常用的方法如生物劑量測定、化學光度測量和計算流體動力學往往耗時復雜，或需要專門的知識（Barut G?k, Gr?f, & Stahl, 2020; Guerrero-Beltrán & Barbosa-Cánovas, 2004）。此外，傳統的輻射測量技術通常受到幾何效應和表面不均勻性的限制，且無法捕捉累積的表面暴露量，這可能導致在復雜或非平面表面上對有效UV劑量的估計不準確，從而影響過程驗證的可靠性。因此，需要簡單、能夠響應表面變化的UV-C劑量測量工具，以整合隨時間變化的暴露量，并在實際的食品消毒條件下驗證UV-C劑量傳遞。
放射性染色薄膜劑量測量被報道為一種用于食品和食品接觸表面UV劑量測量的替代技術（Fan, Huang, & Chen, 2017）。放射性染色薄膜（RCFs）最初是無色的，會根據所施加的輻射劑量而變色。RCFs主要用于工業應用中確定電離輻射（如伽馬輻射）的劑量水平。然而，由于市場供應有限和成本較高，其商業化受到限制，限制了連續使用。因此，研究人員專注于為特定應用開發RCFs。Mai、Solomon、Taguchi和Kojima（2008）開發了含有白孔雀石綠（LMG）和聚丁醛（PVB）的RCFs來測量伽馬射線劑量。同樣，Soliman、Abdel-Fattah和Dutremez（2021）報道了一種含有1,10-二苯氨基-4,6-十二炔作為活性劑的放射性劑量計，能夠測量高達296.1 kGy的劑量。Faheem、Moniem和El Ahdal（2019）提出將雷沙津染料摻入聚乙烯醇（PVA）薄膜中，作為商用FWT-60-00薄膜的替代品。據報道，雷沙津薄膜的顏色從深紫色變為橙色，其對伽馬輻射（60 kGy）的響應是FWT-60-00薄膜的12倍。
在文獻中，大多數研究主要集中在為伽馬輻射應用開發RCFs上，而商業和實驗室規模的RCFs在UV范圍內的適用性尚不清楚。Abdel-Fattah、Hegazy和Ezz El-Din（2000）開發了摻有百里酚藍（TB）的聚丁醛（PVB）薄膜，用于監測200–400 nm范圍內的UV照射，并證明這些薄膜適用于所有UV區域，特別是在較短波長（UV-C范圍）下具有更高的靈敏度。Kotb、El Ghazaly、Mohamed和Ibrahim（2022）研究了商用Gafchromic? EBT2放射性染色薄膜（RCFs）測量UV-A太陽輻射的適用性。他們的結果表明，EBT2薄膜雖然適用于UV-A輻射測量，但其應用范圍僅限于此波長范圍。在最近的一項研究中，Cankal、Unluturk和Unluturk（2023）評估了商用FWT-60-00 RCFs在UV范圍內的性能，發現這些薄膜僅在低UV劑量水平（≤60 mJ·cm?2）下有效，且不經濟可行。先前的研究表明，螺吡喃（SP）衍生物因其紫外照射下的可逆結構轉變而成為有效的光致變色材料。紫外光照射會導致SP分子環打開，生成異硫氰酸酯（MC）異構體，產生明顯的、可量化的顏色變化，這是其在光學傳感和劑量測量中應用的基礎。例如，Samoladas、Bikiaris、Zorba、Paraskevopoulos和Jannakoudakis（2008）研究了基于螺吡喃的聚苯乙烯和聚己內酯薄膜的光致變色響應，在UV-A照射（365 nm）下觀察到快速的顏色變化，在紫外吸收劑和抗氧化劑存在下響應增強。這些研究中報告的顯著紫外誘導的顏色變化和對累積暴露的敏感性表明，基于SP的系統適用于定量UV監測。這些特性支持選擇螺吡喃作為比色UV劑量測量的有希望的候選材料，并證明了在本研究中對其進行評估和優化的必要性。因此，關于生產能夠測量低和高水平UV-C劑量的RCFs的研究很少。
本研究的目的是開發并表征含有螺吡喃（SP）和白孔雀石綠（LMG）的PVB基放射性染色薄膜，作為在254 nm處測量UV-C劑量的比色、劑量敏感的劑量計，特別關注可逆和不可逆顏色變化在表面消毒驗證中的比較。由于SP染料的可逆性質限制了其用于永久劑量測量的適用性，因此研究了之前主要用于伽馬輻射的LMG作為新型不可逆UV-C敏感替代品。除了染料類型外，還系統地評估了染料/敏化劑濃度和薄膜澆鑄厚度對RCFs顏色變化和機械性能的影響。使用期望函數分析（DFA）確定了最佳RCF配方，并進一步表征了優化的SP和LMG-RCFs，證明了它們作為實際驗證食品和食品接觸表面消毒過程中UV-C劑量傳遞的工具的潛在適用性。
化學物質
聚丁醛（PVB）粉末（平均分子量Mw = 90,000-120,000）由Sigma-Aldrich Corporation（美國密蘇里州圣路易斯）提供。白孔雀石綠（LMG，Thermo Scientific），1′,3′-二氫-8-甲氧基-1′,3′,3′-三甲基-6-硝基螺吡喃[2H-1-苯并吡喃-2,2′-(2H)-吲哚]-螺吡喃（SP，Sigma-Aldrich），2-甲氧基乙醇（Merck），2-乙氧基乙醇（Merck），1-丁醇（Carlo Erba），N,N-二甲基甲酰胺（DMF，Carlo Erba），聚乙二醇（PEG，Fluka）
RCFs的澆鑄和優化
研究首先從澆鑄放射性染色薄膜（RCFs）開始。為了優化UV-C劑量測量性能，研究了三種染料濃度（3、5和7 phr）。通過評估多種濃度，確定了一種能夠在不飽和的情況下提供適當顏色變化的配方，從而實現相關暴露范圍內的準確UV-C劑量測量。此外，還評估了三種澆鑄厚度（60、90和120 μm），因為薄膜厚度對...
結論
本研究開發了基于LMG和SP的放射性染色薄膜，并研究了染料濃度和澆鑄厚度對其性能的影響。最佳的UV-C劑量測量薄膜分別為LMG390–75（3 phr染料，90 μm厚度，75 phr敏化劑）和SP590（5 phr染料，90 μm厚度）。LMG390–75薄膜對UV-C劑量的響應范圍達到1890 mJ·cm?2，SP590薄膜的響應范圍達到283.5 mJ·cm?2。LMG390–75薄膜表現出更強的環境...
CRediT作者貢獻聲明
亞迪加爾·塞菲·坎卡爾（Yadigar Seyfi Cankal）：撰寫——原始草稿、方法論、研究、數據管理、概念化。塞夫坎·烏爾盧圖爾克（Sevcan Unluturk）：撰寫——審稿與編輯、監督、項目管理、概念化。
資助
本工作得到了伊茲密爾技術學院科學研究項目協調部門的支持（資助編號：2023IYTE-1-0015）。
利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
作者感謝S. Mehmet UNLUTURK教授在MATLAB代碼創建方面的幫助，Iztech綜合研究中心材料研究部的Zehra Sinem Yilmaz博士在SEM分析方面的支持，Iztech綜合研究中心地熱能源研究與應用部的Ebru Hancioglu副教授在DSC分析方面的支持，以及Cagri Cavdaroglu博士在FTIR設備提供和服務方面的支持。此外，作者還感謝...
