揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）表征在環(huán)境診斷、生物醫(yī)學(xué)和食品科學(xué)中起著關(guān)鍵作用。例如，微生物與食品之間的微生物反應(yīng)會產(chǎn)生各種VOC生物標(biāo)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(biāo)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(shí)現(xiàn)高靈敏度的TEA實(shí)時(shí)監(jiān)測仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，限制了個(gè)性化食品新鮮度識別。

盡管氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）和光學(xué)設(shè)備等各種技術(shù)可以提供準(zhǔn)確的VOC檢測，但它們被認(rèn)為昂貴、不便攜、耗時(shí)，需要專業(yè)的操作技能，限制了它們作為個(gè)性化測量工具的使用。為了實(shí)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(xué)型、化學(xué)電阻型和比色型。特別是，化學(xué)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(diǎn)，引起了研究人員的極大興趣。研究最廣泛的化學(xué)電阻TEA傳感器基于金屬氧化物，通過化學(xué)分析物和金屬氧化物的活性氧之間的氧化還原反應(yīng)，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(qiáng)吸附電荷遷移動力學(xué)。這種策略可能會受到配置復(fù)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(dǎo)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(diǎn)使得基于金屬氧化物的化學(xué)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(yīng)能量和低電導(dǎo)率調(diào)制，它們的靈敏度和響應(yīng)/恢復(fù)特性往往受到限制。之前報(bào)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(jī)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(lǐng)域的實(shí)時(shí)傳感方面顯示出巨大的前景。這種傳感器可以同時(shí)執(zhí)行包括信號處理和轉(zhuǎn)導(dǎo)在內(nèi)的多種功能，從而實(shí)現(xiàn)高效的實(shí)時(shí)化學(xué)傳感。然而，由于LC傳感器的固有原理和高噪聲，低濃度化學(xué)分析物的傳感信號不易檢測到，限制了它們在實(shí)踐中的應(yīng)用。氣敏材料對化學(xué)分析物的傳統(tǒng)吸附電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)工程面臨著靈敏度和恢復(fù)時(shí)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(shí)影響設(shè)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(gè)傳感參數(shù)的響應(yīng)來增強(qiáng)對VOC分析物的響應(yīng)。同時(shí)，這也代表了一種新的策略，可以在不犧牲恢復(fù)動力學(xué)的情況下同時(shí)進(jìn)行多轉(zhuǎn)換過程，從而解決靈敏度和恢復(fù)之間的權(quán)衡問題，這與異質(zhì)結(jié)協(xié)同效應(yīng)等傳統(tǒng)敏化策略完全不同。然而，這一概念從未得到驗(yàn)證，其實(shí)現(xiàn)受到兩個(gè)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(xué)；（2）傳感材料的多重傳輸特性。從根本上說，設(shè)計(jì)快速、高靈敏度的LC傳感器以在RT下進(jìn)行VOC傳感需要材料、設(shè)備和傳感機(jī)制層面的協(xié)同進(jìn)步。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作報(bào)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(shí)時(shí)檢測三乙胺（TEA）。TEA刺激的PA薄膜表現(xiàn)出聯(lián)合的傳導(dǎo)極化機(jī)制，有助于電導(dǎo)率和介電常數(shù)的快速和特定反應(yīng)動力學(xué)變化。

2. 設(shè)計(jì)了一種利用單個(gè)電參數(shù)（S11）收集電導(dǎo)和介電轉(zhuǎn)換信號的無線LC諧振器，在室溫下實(shí)現(xiàn)了較低的檢測限（300 ppb）和29 s/261 s的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)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(shè)計(jì)示意圖。（b）傳統(tǒng)有線化學(xué)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(xué)照片。

圖2. 耦合傳導(dǎo)極化機(jī)制和基于PA的LC無線傳感器的設(shè)計(jì)。（a）暴露于100 ppm TEA分析物（1kHz，偏壓1V）時(shí)，基于PA的“R”傳感器和基于PA的”C“傳感器的響應(yīng)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(tuán)的演變。（c）基于PA的LC無線傳感器的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制和雙響應(yīng)轉(zhuǎn)導(dǎo)模型。（d）空氣TEA中PA基IDE的相位角頻譜表明，TEA的吸附會導(dǎo)致偶極極化效應(yīng)。（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(shí)驗(yàn)都是在25°C、60%相對濕度下進(jìn)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(yīng)曲線。（b）我們的工作與之前報(bào)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(yīng)和恢復(fù)曲線。（d）與之前的工作相比，我們的設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間。（e）研究濕度對基于PA的LC無線傳感器的初始S11和響應(yīng)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(fù)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(yīng)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(xué)照片。（c）在不同溫度和不同時(shí)間儲存的四種肉類的光學(xué)照片。（d–k）實(shí)際TVB-N與傳感器響應(yīng)之間的線性關(guān)系。（l）我們的設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室儀器的比較。

審核編輯 黃宇