一种可用于无线氨气检测和海鲜监测的可打印无芯片传感器标签

《Sensors and Actuators A: Physical》：A Printable Chipless Sensor Label for Wireless Ammonia Detection and Seafood Monitoring

本研究设计了一种基于CNF/CB/PANI复合材料的无芯片RFID传感器标签，用于监测海鲜新鲜度。通过频率选择性表面结构检测氨气浓度，在0.7-50 ppm范围内实现高灵敏度与选择性，且无需电池或芯片，具有可持续性和低成本优势。

　　本文介绍了一种用于监测海鲜新鲜度的新型无线传感器技术，特别是基于芯片式 RFID（射频识别）的氨气检测方法。该研究的核心目标是解决传统 RFID 传感器中存在的问题，如对电池和硅芯片的依赖，以及由此产生的制造复杂性和电子废弃物问题。通过开发一种无芯片的 RFID 传感器标签，研究人员希望提供一种更加简便、可持续且高灵敏度的解决方案，以满足海鲜行业对实时监控和食品安全的需求。

海鲜作为一种高价值但极易腐坏的产品，其腐败不仅影响消费者的健康，还可能导致市场失效和大量浪费。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，超过 35% 的收获后海鲜在供应链中被损失或浪费。这凸显了对高效、低成本、非破坏性监测手段的迫切需求。传统的监测方法主要依赖人工感官评估和微生物检测，这些方法不仅费时费力，而且存在误差和不准确的问题。因此，开发一种能够实时、准确检测海鲜新鲜度的传感器显得尤为重要。

近年来，无线传感器技术，特别是 RFID 技术，在食品供应链监测中展现出巨大的潜力。该技术可以实现对货物在供应链各环节的无缝追踪，从而提高食品安全性和可追溯性。然而，大多数 RFID 传感器仍然依赖于电池和集成芯片，这不仅增加了制造成本和复杂性，也带来了电子废弃物的问题。因此，研究人员开始探索无芯片的 RFID 传感器，以减少对电池和芯片的依赖，同时保持传感器的高灵敏度和准确性。

无芯片的 RFID 传感器通过将传感材料的介电性质变化转化为共振频率的偏移，从而实现对目标物质的检测。这种技术的优势在于其结构简单、成本低廉、易于微型化，并且能够显著减少电子废弃物的产生。例如，一些研究已经提出了基于无芯片 RFID 的温度检测标签，其通过油的融化来响应温度变化，从而实现对温度的监测。此外，也有研究利用碳纳米管和二硫化钼等复合材料作为传感材料，开发了无芯片的氨气检测标签。

在本文中，研究人员提出了一种基于印刷电子（PE）技术的无芯片传感器标签，其利用了传感材料在与氨气接触时的电学性质变化。该传感器标签由碳纳米纤维（CNF）、碳黑（CB）和聚苯胺（PANI）组成的复合材料制成，并通过印刷技术在柔性基材上实现。这种材料的选择基于其易于合成、对氨气的高反应性和低工作温度等特性，使其在实际应用中具有较高的可行性。

为了进一步提高传感器的性能，研究人员对传感器的结构进行了优化设计，特别是在频率选择性表面（FSS）方面。FSS 由多个微带线槽结构组成，排列成十字形，以实现宽频带共振和稳定的极化性能。这种设计不仅提高了传感器的频率选择性，还解决了带宽和信号噪声等关键问题，使其在高频率噪声环境中仍能保持较高的检测精度。

在实验过程中，研究人员对传感器的电学性能进行了测试，特别是在氨气浓度范围为 0.7 到 50 ppm 时的表现。测试结果表明，该传感器具有良好的灵敏度、选择性和稳定性，能够有效地检测氨气的存在。此外，通过测量传感器的散射参数（S21 对频率），研究人员发现传感器在响应氨气和鱼样本时表现出明显的频率偏移，进一步验证了其在海鲜新鲜度监测中的应用潜力。

本文的研究还强调了印刷电子技术在可持续发展方面的应用前景。随着环保意识的增强，越来越多的研究开始关注使用环保材料替代传统金属和化石基材料，以减少对环境的影响。印刷电子技术的优势在于其制造成本低、可扩展性强，并且能够实现大规模生产，这使得其在食品包装和产品监测系统中具有广泛的应用价值。

在材料方面，研究人员使用了多种化学物质，包括高锰酸钾、氯化镁、硝酸钾等，以制备适合用于氨气检测的传感材料。此外，为了提高传感器的选择性，研究人员还使用了丙酮和乙醇等溶剂进行实验。这些材料的选择和配比对于传感器的性能具有重要影响，需要经过仔细的优化和测试。

在传感器的制造过程中，研究人员采用了屏幕印刷技术，以实现对微带线槽结构的精确控制。这种技术不仅提高了传感器的制造效率，还降低了生产成本。此外，研究人员还对传感器的尺寸进行了调整，以优化其频率响应，从而提高检测的准确性和可靠性。

通过实验验证，研究人员发现该无芯片传感器在与氨气接触时能够产生明显的频率偏移，表明其具有良好的检测能力。同时，该传感器在与鱼样本接触时也表现出类似的频率变化，进一步证明了其在实际应用中的有效性。这些结果表明，无芯片的 RFID 传感器标签在海鲜新鲜度监测中具有广阔的应用前景，能够提供一种低成本、可持续且高精度的解决方案。

本文的研究成果不仅为海鲜行业提供了新的监测手段，也为其他食品行业提供了借鉴。通过开发无芯片的 RFID 传感器，研究人员希望能够减少对电池和芯片的依赖，从而降低制造成本和环境影响。此外，这种技术还可以应用于其他食品的监测，如肉类、水果和蔬菜等，以提高食品安全性和可追溯性。

总的来说，本文的研究表明，无芯片的 RFID 传感器标签在氨气检测和海鲜新鲜度监测中具有重要的应用价值。通过结合印刷电子技术和环保材料，研究人员开发出了一种更加简便、低成本且可持续的解决方案。这种技术的应用不仅能够提高食品安全性，还能够减少食品浪费，促进可持续发展。未来，随着技术的进一步发展和应用的推广，无芯片的 RFID 传感器有望成为食品供应链监测的重要工具。