揮發(fā)性有機化合物（VOC）表征在環(huán)境診斷、生物醫(yī)學和食品科學中起著關(guān)鍵作用。例如，微生物與食品之間的微生物反應會產(chǎn)生各種VOC生物標志物，為量化食品新鮮度的有前景的方法鋪平了道路。三乙胺（TEA）是最具代表性的生物標志物之一，隨著肉類腐敗過程中蛋白質(zhì)降解的發(fā)展，其濃度升高。然而，實現(xiàn)高靈敏度的TEA實時監(jiān)測仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，限制了個性化食品新鮮度識別。

盡管氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）和光學設備等各種技術(shù)可以提供準確的VOC檢測，但它們被認為昂貴、不便攜、耗時，需要專業(yè)的操作技能，限制了它們作為個性化測量工具的使用。為了實現(xiàn)便攜式VOC檢測，已經(jīng)開發(fā)了各種檢測技術(shù)，如聲學型、化學電阻型和比色型。特別是，化學電阻傳感器件具有靈敏度高、成本低、操作簡單、結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單等優(yōu)點，引起了研究人員的極大興趣。研究最廣泛的化學電阻TEA傳感器基于金屬氧化物，通過化學分析物和金屬氧化物的活性氧之間的氧化還原反應，通過電阻變化檢測TEA。然而，為了提高靈敏度，基于金屬氧化物的傳感器需要加熱過程（>240°C）來增強吸附電荷遷移動力學。這種策略可能會受到配置復雜性增加、額外能耗、令人不快的選擇性和明顯基線漂移的影響。此外，加熱過程還導致傳感材料的晶粒生長，降低了器件的穩(wěn)定性和壽命。因此，這些缺點使得基于金屬氧化物的化學電阻傳感器難以集成到便攜式系統(tǒng)中。盡管出現(xiàn)了室溫（RT）VOC傳感器，但由于分析物和傳感材料之間的弱反應能量和低電導率調(diào)制，它們的靈敏度和響應/恢復特性往往受到限制。之前報道的RT TEA傳感器的檢測限高于百萬分之二（ppm）。因此，在室溫下快速檢測十億分之一（ppb）水平的揮發(fā)性有機化合物仍然不可用。

最近，LC（電感電容）無線傳感器在醫(yī)療保健和環(huán)境治理領域的實時傳感方面顯示出巨大的前景。這種傳感器可以同時執(zhí)行包括信號處理和轉(zhuǎn)導在內(nèi)的多種功能，從而實現(xiàn)高效的實時化學傳感。然而，由于LC傳感器的固有原理和高噪聲，低濃度化學分析物的傳感信號不易檢測到，限制了它們在實踐中的應用。氣敏材料對化學分析物的傳統(tǒng)吸附電荷轉(zhuǎn)移動力學工程面臨著靈敏度和恢復時間的權(quán)衡，這在之前的氣敏材料研究中很普遍。值得注意的是，LC無線傳感器具有多傳輸特性，如電阻型和電容型，這會同時影響設備的回波損耗（S11）。因此，這可能意味著一種有前景的方法，通過結(jié)合LC無線傳感器的多個傳感參數(shù)的響應來增強對VOC分析物的響應。同時，這也代表了一種新的策略，可以在不犧牲恢復動力學的情況下同時進行多轉(zhuǎn)換過程，從而解決靈敏度和恢復之間的權(quán)衡問題，這與異質(zhì)結(jié)協(xié)同效應等傳統(tǒng)敏化策略完全不同。然而，這一概念從未得到驗證，其實現(xiàn)受到兩個因素的影響：（1）室溫下傳感材料和TEA之間的有效吸附電荷遷移動力學；（2）傳感材料的多重傳輸特性。從根本上說，設計快速、高靈敏度的LC傳感器以在RT下進行VOC傳感需要材料、設備和傳感機制層面的協(xié)同進步。

本文亮點

1. 本工作報道了一種基于鄰苯二甲酸酐（PA）的電感電容（LC）無線傳感器，用于實時檢測三乙胺（TEA）。TEA刺激的PA薄膜表現(xiàn)出聯(lián)合的傳導極化機制，有助于電導率和介電常數(shù)的快速和特定反應動力學變化。

2. 設計了一種利用單個電參數(shù)（S11）收集電導和介電轉(zhuǎn)換信號的無線LC諧振器，在室溫下實現(xiàn)了較低的檢測限（300 ppb）和29 s/261 s的響應/恢復時間。

3. 作為原型，在食品新鮮度識別中演示了一種結(jié)合無線LC傳感器和手持儀器的便攜式系統(tǒng)。

圖文解析

圖1. 基于PA的LC無線傳感器的概念。（a）用于食品新鮮度識別的基于PA的LC無線傳感器的總體設計示意圖。（b）傳統(tǒng)有線化學電阻VOC傳感器的概念。（c）基于PA的LC無線傳感器的概念。（d）基于PA的LC無線傳感器的換能等效電路。（e）基于PA的LC無線傳感器的特性。（f）基于PA的LC傳感器的光學照片。

圖2. 耦合傳導極化機制和基于PA的LC無線傳感器的設計。（a）暴露于100 ppm TEA分析物（1kHz，偏壓1V）時，基于PA的“R”傳感器和基于PA的”C“傳感器的響應曲線。（b）PA薄膜在空氣中-250 ppm TEA空氣中的FTIR光譜證明了PA薄膜酸酐基團的演變。（c）基于PA的LC無線傳感器的轉(zhuǎn)導機制和雙響應轉(zhuǎn)導模型。（d）空氣TEA中PA基IDE的相位角頻譜表明，TEA的吸附會導致偶極極化效應。（e）空氣TEA空氣暴露中基于PA的IDE的奈奎斯特圖。（f）基于PA的LC無線傳感器的電場分布的數(shù)值結(jié)果。（g）基于PA的LC無線傳感器在暴露于100 ppm TEA之前和之后的S11-f曲線的比較。（h）基于PA的“R”傳感器、基于PA的”C“傳感器和基于PA的LC無線傳感器的檢測限比較。請注意，（a）、（b）、（d）、（e）、（g）和（h）中的所有實驗都是在25°C、60%相對濕度下進行的。

圖3. 基于PA的LC無線傳感器的氣體傳感性能表征。（a）基于PA的LC無線傳感器從300 ppb到100 ppm的動態(tài)響應曲線。（b）我們的工作與之前報告的工作之間的檢測限比較。（c）基于PA的LC無線傳感器的響應和恢復曲線。（d）與之前的工作相比，我們的設備的響應時間。（e）研究濕度對基于PA的LC無線傳感器的初始S11和響應的影響。（f）基于PA的LC無線傳感器對TEA和各種干擾氣體的選擇性。（g）基于PA的LC無線傳感器的重復性測試。（h）基于PA的LC TEA無線傳感器在200次彎曲前后的響應比較。

圖4. 基于PA的LC無線傳感器射頻性能的表征。（a）加載PA膜前后LC諧振器的S11-f曲線。（b）說明PA膜在提高LC諧振器電容方面作用的等效電路。（c）基于PA的LC無線傳感器的S11-d曲線。（d）基于PA的LC無線TEA傳感器的S11-g曲線。

圖5. 基于PA的LC無線傳感器用于食品腐敗定量。（a）用于食品腐敗檢測的基于PA的LC無線傳感器的測試示意圖。（b）用于測量基于PA的LC無線傳感器S11-f曲線的手持儀器的光學照片。（c）在不同溫度和不同時間儲存的四種肉類的光學照片。（d–k）實際TVB-N與傳感器響應之間的線性關(guān)系。（l）我們的設備和實驗室儀器的比較。

審核編輯 黃宇