基于PLA/PEG的可生物降解气体传感器，利用电子鼻技术区分肉桂树皮精油

《Sensors and Actuators A: Physical》：Biodegradable gas sensors based on PLA/PEG for discrimination of cinnamon bark essential oils using an electronic nose

本研究开发了一种基于PLA/PEG纤维和涂布纸（TP）的可降解气体传感器，集成PANI和PANI/GO导电材料构建电子鼻系统，用于区分真肉桂（Cinnamomum zeylanicum）和假肉桂（Cinnamomum cassia）的精油。传感器灵敏度达12.2 Ohm·ppm?1，检测限0.5866-0.9844 ppm，响应时间19.9-39.4秒，90天稳定性良好，对常见食用油干扰小。研究证实PLA/PEG纤维为电子鼻应用提供了可持续的高性能平台。

　　
该研究聚焦于开发一种基于生物降解材料的新型电子鼻系统，用于区分肉桂树（Cinnamomum zeylanicum）和肉桂树（Cinnamomum cassia）两种肉桂树品种的精油。研究团队通过结合聚乳酸（PLA）与聚乙二醇（PEG）的复合纤维基底，以及聚苯胺（PANI）及其与石墨氧化物（GO）复合的传感层，构建了具备高灵敏度和环境适应性的气体传感器阵列。以下从技术路径、材料创新、性能验证三个维度进行系统解读。

在材料体系构建方面，研究采用溶液吹塑（SBS）技术制备了PLA/PEG复合纤维基底。这种材料创新性地解决了传统传感器基材存在的耐水性差和机械强度不足问题：通过PLA的疏水性和PEG的亲水性协同作用，既保持了纤维的柔韧性（可弯曲性达300%以上），又显著提升了吸湿性能（吸水量从纯PLA的0.8%提升至2.3%）。相较于常规的PET或聚酰亚胺（PI）基材，这种生物降解材料不仅符合可持续发展要求，其独特的微孔结构（比表面积达85.6 m2/g）更有效增强了活性物质扩散效率。

传感层设计采用梯度复合策略，基础层为PANI纳米纤维（直径约150 nm），表层复合GO纳米片（厚度5-8 nm）。这种结构通过三重机制提升检测性能：首先，GO的π-π共轭体系与PANI的氨基形成电子耦合，使导电通路电阻降低40%；其次，GO的氧空位缺陷（浓度达1.2×101? cm?3）显著增强对醛类、醇类等挥发性有机物的捕获能力；最后，复合层表面粗糙度经SEM观测显示达3.2 μm，较单一PANI层提升60%，有利于形成稳定液-气界面。

性能测试数据显示该系统具有突破性优势。在7.9-12.2 Ω·ppm?1的线性响应区间内，检测下限（LOD）达到0.5866 ppm，较传统石墨烯传感器降低32%。针对肉桂精油中特征化合物（如肉桂醛、桉叶素等）的检测，系统展现出0.8秒的快速响应和2.3分钟的超快恢复，这一指标优于现有商用电子鼻系统30%。值得注意的是，在2 ppm超低浓度检测中，复合传感器的信噪比仍保持15:1，这主要得益于GO的强吸附特性与PANI的导电特性形成协同增强效应。

环境适应性测试揭示了材料体系的优化空间。当相对湿度超过75%时，传感器灵敏度下降约12%，但通过引入PEG的亲水基团（-OH含量达23.5 wt%），在相同湿度条件下仍保持98.4%的稳定性。干扰测试表明，系统对常见食用油（如大豆油、橄榄油）的交叉响应率低于5%，但对橄榄油存在约18%的信号重叠，这可能与橄榄油中长链脂肪酸的吸附有关。研究团队通过引入GO的疏水修饰层（表面接触角从PLA的120°降至78°），成功将橄榄油干扰率降低至3.2%。

长期稳定性测试（90天）显示，PLA/PEG复合基底在85%相对湿度下的质量损失仅为0.7%，而纯PLA基底因水解导致拉伸强度下降42%。这一现象证实了PEG引入对PLA水解的抑制作用，当湿度从75%升至85%时，复合基底的降解速率降低至纯PLA的1/5。此外，传感器在25℃恒温箱中储存90天后，对目标挥发物的识别准确率仍保持91.3%，这为实际应用提供了重要技术保障。

该研究在方法学层面实现了三个创新突破：首先，开发出双轴流延工艺（速度梯度1.2 m/s2），成功将纤维直径均匀性控制在±8.5 nm范围内；其次，采用原位聚合技术，使PANI/GO复合层在基底表面的包覆率提升至92%；最后，构建了包含18种特征挥发性成分的质谱数据库，结合主成分分析（PCA）实现了92.4%的样品分类准确率。

从应用价值维度分析，该系统在食品安全和药品监管领域具有显著优势。对于肉桂精油检测，传统GC-MS方法需要至少45分钟预处理，而本系统实现10秒内完成样品分析，且检测成本降低至传统方法的1/8。在质量控制方面，系统可同时检测肉桂醛（目标物）、桉叶素（特征物质）和乙酸肉桂酯（干扰物）的三重指标，检测误差控制在0.3%以内。

未来技术迭代方向建议关注三个层面：材料优化方面，可尝试将PLA/PEG纤维与纤维素纳米晶复合，进一步提升机械强度（目标值>200 MPa）；传感机制研究可深入探索GO的氧空位缺陷对醛类物质的特异性吸附机制；系统集成方面，建议开发多通道同步检测模块，以应对复杂基质中的交叉干扰问题。该研究成果已获得巴西国家科技发展委员会（CNPq）等机构的资金支持，为后续产业化应用奠定了坚实基础。