柔性PANI–PVDF复合膜氨气传感器在冷藏肉保鲜监测中的应用

《ACS Omega》：Flexible PANI–PVDF Composite Membrane Ammonia Sensor for Chilled Meat Freshness Monitoring

新鲜肉品质检测基于PANI-PVDF氨传感器研究。通过化学聚合制备均匀PANI敏感层，集成叉指银电极，实现2-100 ppm宽量程氨检测，灵敏度达366.56%，响应时间240秒，弯曲稳定性>2000次（RSD<1.5%）。建立电阻变化与TVB-N值（≤150 mg/kg判定新鲜）及储存时间（0-120小时）的线性关系（R2=0.93475），为冷链运输中实时监测肉品新鲜度提供低成本柔性电子解决方案。

　　随着食品安全和质量监控需求的不断增长，开发高效、便捷的肉类新鲜度检测技术变得尤为重要。本研究提出了一种基于聚苯胺（PANI）与聚偏氟乙烯（PVDF）复合膜的柔性氨气传感器，并结合银电极用于快速检测冷藏肉的新鲜度。该传感器通过化学聚合在PVDF膜表面合成了一层均匀的PANI敏感层，随后利用丝网印刷技术制作了高导电性的银叉指电极。借助PANI对氨气的高灵敏度特性，该传感器能够实时监测肉类在储存过程中释放的氨气，从而间接反映其新鲜度。实验结果显示，该传感器在10 ppm氨气浓度下表现出良好的灵敏度（响应率超过20%）和快速的响应动力学特性（T90约为240秒）。通过建立传感器响应、总挥发性碱性氮（TVB-N）含量与储存时间之间的相关性，实现了对冷藏肉新鲜度的精准评估。其简便的制造工艺、低成本和易于集成的特性，为食品新鲜度监测提供了一种高效且可靠的解决方案。

在食品行业中，传统的新鲜度检测方法往往依赖复杂的设备和繁琐的操作流程，这限制了其在实时、现场检测中的应用。因此，基于气体传感技术的新鲜度检测方法逐渐受到关注。氨气作为冷藏肉储存和运输过程中关键的腐败指标之一，其浓度变化能够有效反映肉类的新鲜度。然而，现有的检测方法在操作便捷性和实时性方面仍存在不足。为了克服这些问题，研究团队设计了一种新型的氨气传感器，旨在实现对冷藏肉新鲜度的快速、准确和高效评估。

PANI作为一种典型的导电聚合物，因其在不同环境下的良好稳定性以及对氨气的高灵敏度而被广泛应用于气体传感领域。PANI在受到氨气刺激时，其导电性会发生显著变化，这种变化可以通过传感器的电阻变化来检测。在本研究中，PANI被均匀地沉积在PVDF膜表面，通过化学聚合的方法实现了对氨气的高灵敏度响应。此外，银电极的引入提高了传感器的导电性，使其能够更有效地检测氨气浓度。研究团队通过实验验证了该传感器在不同浓度下的响应特性，并发现其在2–100 ppm氨气浓度范围内表现出良好的线性关系，响应率随着氨气浓度的增加而显著上升。这一特性使得该传感器能够在较宽的浓度范围内实现对氨气的精确检测。

为了确保传感器在复杂环境中的稳定性，研究团队对其在不同湿度和温度条件下的性能进行了系统评估。实验结果表明，该传感器对湿度和温度具有良好的响应特性，其基础电阻值在不同湿度条件下表现出显著变化，这为传感器在实际应用中的适应性提供了理论依据。同时，该传感器在温度变化范围（28–70 °C）内表现出良好的线性关系，进一步证明了其在不同环境下的可靠性。此外，该传感器在2000次弯曲循环后仍能保持稳定性能，其响应波动范围控制在4.23%以内，显示出良好的机械稳定性，适用于冷藏肉运输过程中的反复弯曲和变形。

在肉类新鲜度评估方面，TVB-N作为一种重要的腐败指标，能够有效反映肉类蛋白质分解所产生的碱性氮化合物的含量。研究团队采用TVB-N快速检测套件进行实验，该方法基于比色法，能够快速、简便地评估肉类的新鲜度。实验结果表明，新鲜肉类的TVB-N含量通常低于150 mg/kg，而超过该阈值的肉类则被视为腐败。通过将传感器的响应特性与TVB-N含量进行对比分析，研究团队建立了传感器响应与肉类新鲜度之间的强相关性，从而实现了对肉类新鲜度的精准判断。

为了进一步验证该传感器在实际应用中的有效性，研究团队进行了为期1–5天的冷藏肉新鲜度监测实验。实验过程中，将鸡肉样本置于储存箱内，并在不同储存时间点测量传感器的电阻变化。结果显示，传感器的电阻变化曲线与TVB-N含量之间存在高度相关性，且其对储存时间的响应具有良好的线性关系。这一发现表明，该传感器能够有效地跟踪肉类腐败过程，并为消费者提供准确的储存时间判断。此外，研究团队还对传感器在不同环境条件下的响应特性进行了详细分析，包括湿度、温度和机械弯曲等因素对传感器性能的影响，确保其在实际应用中的可靠性。

综上所述，本研究开发的基于PANI–PVDF复合膜的柔性氨气传感器，不仅具备高灵敏度和快速响应特性，还能够在复杂环境下保持稳定性能。其对氨气的高选择性、良好的机械稳定性以及与TVB-N含量的强相关性，使其成为冷藏肉新鲜度检测的理想工具。该传感器的简单制造工艺和低成本特性，为食品新鲜度监测技术的普及和应用提供了新的思路。未来，随着智能包装技术的发展，该传感器有望在食品包装领域发挥更大作用，为实现食品质量的实时监控和预警提供技术支持。