上海維立勝衡傳感器有限公司
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閱讀：97發(fā)布時(shí)間：2025-2-25
近日，波茲南生命科學(xué)大學(xué)（PoznańUniversity of Life Sciences）的研究人員探討了提高M(jìn)OS氣體傳感器選擇性的各種策略和技術(shù)，包括創(chuàng)新的傳感器設(shè)計(jì)、材料的集成以及測(cè)量方法和模式識(shí)別算法的改進(jìn)。
據(jù)了解，揮發(fā)性化合物不僅有助于形成食品和飲料中的風(fēng)味和香氣，還可以作為變質(zhì)、污染或潛在有害物質(zhì)存在的指示。由于食品原料和產(chǎn)品的氣味攜帶著有關(guān)其狀態(tài)的寶貴信息，因此氣體傳感器在確保食品生產(chǎn)和銷售各個(gè)階段的安全和質(zhì)量方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在食品行業(yè)廣泛應(yīng)用的氣體檢測(cè)設(shè)備中，金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）氣體傳感器重要。正在進(jìn)行的研究和開(kāi)發(fā)工作大大提高了它們的性能，使其成為監(jiān)測(cè)和確保食品質(zhì)量的非常有用的工具；然而，它們?cè)谶x擇性方面的局限仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
MOS氣體傳感器的工作原理基于敏感材料在氣體組分下表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)后的物理和化學(xué)性質(zhì)變化。典型MOS氣體傳感器的關(guān)鍵部件包括襯底、金屬氧化物傳感層、電極、微加熱器和保護(hù)層。下圖顯示了MOS氣體傳感器的設(shè)計(jì)示意圖。
MOS氣體傳感器的工作依賴于半導(dǎo)體材料暴露于周圍環(huán)境中的還原性或氧化性氣體時(shí)電性能的變化。通過(guò)這種方式，從目標(biāo)分析物與敏感材料的選擇性相互作用中獲得的非電化學(xué)信息被轉(zhuǎn)換成分析上有用且易于測(cè)量的電信號(hào)。MOS氣體傳感器工作過(guò)程的基本示意圖如下圖所示。
靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性被廣泛認(rèn)為是氣體傳感器的關(guān)鍵參數(shù)，它們與敏感材料和目標(biāo)氣體分子之間的特定相互作用有關(guān)。最近關(guān)于改進(jìn)MOS氣體傳感器這些參數(shù)的研究主要涉及設(shè)計(jì)新的或修飾的敏感材料，而選擇性的提高可能得益于新測(cè)量方法的發(fā)展和通過(guò)提取測(cè)量信號(hào)的特定特征來(lái)解釋氣體傳感器響應(yīng)的新技術(shù)的發(fā)展。
增強(qiáng)氣體分子在傳感表面的吸附對(duì)于提高氣體傳感器的靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。這可以通過(guò)幾種策略來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括增加可用吸附位點(diǎn)的數(shù)量，促進(jìn)氧空位的形成，以及增強(qiáng)表面催化活性。研究人員介紹了最近用于實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的一些方法。
一種漸進(jìn)式策略涉及敏感材料的化學(xué)修飾。納米結(jié)構(gòu)的引入以及通過(guò)金屬氧化物與金屬顆粒或其它元素的集成可實(shí)現(xiàn)敏感材料的修飾，對(duì)MOS氣體傳感器產(chǎn)生了重大影響。這種策略促進(jìn)了更大的活性表面積，增強(qiáng)了目標(biāo)氣體在敏感材料上的吸附，并提高了傳感器對(duì)分析物的選擇性，同時(shí)減少了來(lái)自其它氣體的干擾。敏感材料的化學(xué)摻雜還通過(guò)改變載流子濃度來(lái)改善其電學(xué)性能，從而提高傳感器對(duì)特定氣體的靈敏度，延長(zhǎng)其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐用性。摻雜材料的性能與敏感材料的金屬氧化物特性相結(jié)合，也使得能夠開(kāi)發(fā)出在室溫或高溫下有效工作的MOS氣體傳感器。
另一種可以提高M(jìn)OS氣體傳感器性能的方法涉及測(cè)量方法的進(jìn)步和其響應(yīng)信號(hào)解釋新技術(shù)的發(fā)展。MOS氣體傳感器的熱調(diào)制技術(shù)使得單個(gè)MOS氣體傳感器的檢測(cè)能力與在不同溫度下工作的幾個(gè)相同類型的傳感器相當(dāng)，這是這種方法的一個(gè)很好的例子。由于此類氣體檢測(cè)過(guò)程中的響應(yīng)模式產(chǎn)生復(fù)雜的波形，為了增強(qiáng)混合氣體的定量分析，不斷開(kāi)發(fā)了將統(tǒng)計(jì)方法與現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合的算法。利用MOS氣體傳感器改進(jìn)氣體檢測(cè)也可以通過(guò)開(kāi)發(fā)配備傳感器陣列設(shè)計(jì)的電子鼻來(lái)實(shí)現(xiàn)。將幾種氣體傳感器的特性結(jié)合起來(lái)，可以減少混合物中氣體分子定量分析的局限性，并提高識(shí)別能力。
下圖描述了MOS氣體傳感器在食品工業(yè)中見(jiàn)的應(yīng)用。MOS氣體傳感器的使用對(duì)于確保食品在生產(chǎn)和銷售的各個(gè)階段的安全和質(zhì)量至關(guān)重要。除此之外，MOS氣體傳感器還有助于監(jiān)測(cè)是否符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槠淇梢宰R(shí)別食品中的污染物，例如農(nóng)藥、化學(xué)品和過(guò)敏原。利用配備有10個(gè)MOS氣體傳感器的電子鼻，在主成分分析（PCA）、線性判別分析（LDA）和支持向量機(jī)（SVM）等判別算法的支持下，對(duì)蘋(píng)果樣品中氯氰菊酯和毒死蜱兩種農(nóng)藥進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，所采用的MOS氣體傳感器陣列能夠準(zhǔn)確識(shí)別蘋(píng)果樣品中的農(nóng)藥殘留。
總而言之，在提高M(jìn)OS氣體傳感器的選擇性方面取得的進(jìn)展為食品工業(yè)帶來(lái)了巨大的希望?；诩兘饘傺趸锏臍怏w傳感器表現(xiàn)出有限的選擇性，但MOS氣體傳感器技術(shù)的創(chuàng)新代表著在提高這些氣體檢測(cè)裝置的有效性方面向前邁出了重要的一步。研究人員所討論的MOS氣體傳感器技術(shù)的進(jìn)展表明，通過(guò)降低對(duì)干擾氣體的交叉靈敏度、降低檢測(cè)限以及提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，氣體傳感器有可能改變食品行業(yè)的質(zhì)量控制、安全性和可追溯性。MOS氣體傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)變質(zhì)、污染和其他關(guān)鍵因素，有助于延長(zhǎng)保質(zhì)期，減少食物浪費(fèi)，并最終確保消費(fèi)者以合理的價(jià)格獲得高質(zhì)量、更安全的食品。隨著MOS氣體傳感器選擇性的提高，在食品安全和質(zhì)量控制方面的應(yīng)用前景廣闊。MOS氣體傳感器靈敏度的進(jìn)一步提高可能會(huì)改善氣體混合物中的化合物識(shí)別能力，最終使食品行業(yè)和消費(fèi)者受益。
在Chemical Sensors期刊上發(fā)表了題為“Advancements in Improving Selectivity of Metal Oxide Semiconductor Gas Sensors Opening New Perspectives for Their Application in Food Industry”的綜述論文，本論文所討論的MOS氣體傳感器的進(jìn)展，例如降低對(duì)干擾氣體的交叉靈敏度、提高檢測(cè)限以及提供更準(zhǔn)確的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）評(píng)估，有望進(jìn)一步擴(kuò)大其在各種領(lǐng)域（包括食品加工和儲(chǔ)存）的應(yīng)用，最終使產(chǎn)業(yè)和消費(fèi)者受益。
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