基于傳感器技術對農業和食品質量實時監測的研究

裘進 顧志豐

摘 要 本文討論了主要用于二氧化碳或氧氣傳感的不同傳感器的細節，以及它們可能被納入農產品和食品包裝以進行產品質量監測的可能性。信號傳感器通過將一種能量數據轉換成另一種形式的數據。例如RFID傳感器，它有助于在智能包裝系統中建立產品質量傳感器和通信組件之間的通信。

關鍵詞 二氧化碳傳感器 智能農業和食品包裝 氧氣傳感器 農業 信號轉換

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.06.020

Abstract This article discusses the details of the different sensors used primarily for carbon dioxide or oxygen sensing， and the possibility that they may be included in agricultural products and food packaging for product quality monitoring. The signal sensor converts one type of energy data into another type of data. RFID sensors， for example， help to establish communication between product quality sensors and communication components in smart packaging systems.

Keywords Carbon dioxide sensor； smart agriculture and food packaging； Oxygen sensor； agriculture； signal conversion

智能包裝被定義為包含內部、外部傳感器或指示器的包裝，以提供包裝歷史和/或其內部農業和食品質量的信息。包裝有助于延長保質期，并保護農業和食品免受因內部和外部因素造成的腐敗。包裝農業和食品主要是為了保護農產品和食品不受環境因素和其他外在因素的影響，保存并容納加工過的農產品和食品，并向消費者提供與成分和營養有關的信息。易腐農業和食品如畜產品，水果，蔬菜和烘焙食品的保質期受到三個主要因素的影響：與大氣中的氧氣發生化學反應，好氧性腐敗微生物的生長以及發生蟲害。近幾十年來，農業和食品工業在包裝技術方面發展迅速，尤其是包裝材料、包裝方法、包裝設備和輔助設備。

目前食品安全和質量已成為重要問題。消費者不僅更關注保持農產品和食品長期保鮮和安全的新方法，而且還熱衷于了解農產品和食品在整個分銷周期中的新鮮狀況。因此，農業和食品包裝在整個生產，儲存和銷售的食品保護中發揮著重要作用。盡管無裝飾的包裝系統對促進農產品和食品分銷系統的早期發展作出了很大貢獻，但目前這種系統還不夠充足，因為目前的技術已變得越來越復雜。傳統的農業和食品包裝不能滿足顧客的需求變化，他們正在積極地尋求農產品和食品的質量，新鮮度和安全性。為了滿足這些要求并提高整體包裝性能，創新主動和智能包裝的概念已經提出并成功應用。Yam將智能包裝定義為能夠執行智能功能（如檢測，傳感，記錄，追蹤，通信和應用科學邏輯）的包裝系統，以便于決策制定以延長保質期，增強安全性，提高質量，提供信息并警告可能出現的問題。根據最新的定義，智能包裝被定義為包含外部或內部指標的包裝，以提供有關包裝進程方面或農產品和食品質量方面的信息。創新農業和食品包裝的例子包括抗菌包裝，氣調包裝，食用和生物可降解包裝，以及包裝中的新鮮度指標。農業和食品包裝的功能超出其習慣用途。創新的包裝系統增加了安全性，便利性，尤其是向最終用戶提供信息。

1 農業和食品質量指示傳感器

在新時代，化學傳感器和生物傳感器新材料的發展和加工技術的進步迅速發展。傳感器技術已成為一個復雜而全面的課題。根據Ramamoorthy的定義，傳感器通常基于三個方面進行分類：靈敏度，選擇性和響應時間。靈敏度用于描述在預設條件下定量測量測試氣體的能力，這取決于所用材料的固有物理和化學性質。傳感器的選擇性被定義為除了干擾之外分離感興趣的氣體的能力。響應時間用于評估氣體濃度變化過程中最大信號變化的速度。另外，不可逆性也是評估傳感器性能的一個顯著因素。氧氣和二氧化碳傳感器的組裝已經開發用于農業和食品包裝。近年來，科學家們一直在試圖將生物傳感器納米技術整合在一起，以提高響應速度，準確性和靈敏度。因此，納米生物傳感器正在成為檢測農產品和食品質量和安全的常規解決方案的顯著替代品。本文主要關注二氧化碳傳感器和氧傳感器，因為這些氣體在包裝農業和食品的頂部空間中也是預測其質量，成熟度或腐敗變化的重要因素。

2 二氧化碳傳感器

由微生物引起的食品是否發酵或腐敗是指示農產品和食品質量和安全性的主要因素。在農業和食品的發酵或腐敗過程中，氧氣減少，二氧化碳積聚。已經開發了許多主要用于傳感器開發的二氧化碳檢測技術，并且這種傳感器包括熒光二氧化碳傳感器，干式光學二氧化碳傳感器，基于溶膠—凝膠的光學二氧化碳傳感器，光子晶體傳感器和pH基于濕法光學二氧化碳的指標。研究人員對光學二氧化碳傳感器特別感興趣，因為它們的化學和機械穩定性比其他化學傳感器要高。熒光或比色指示劑可以安裝在可滲透膜內；盡管如此，這種類型的傳感器存在局限性，即對暴露于環境干擾的應用的精度和靈敏度的影響。

以前的研究已經引入了幾種二氧化碳傳感器，根據其內在的化學或物理性質主要分為兩類，即光學傳感器和電化學傳感器。二氧化碳傳感器在智能農業和食品包裝工業中的潛在應用已在之前的評論中進行了討論。Severinghaus二氧化碳傳感器。Severinghaus二氧化碳傳感器完全基于電化學原理，被認為是二氧化碳檢測最經典和最基本的原型。這種類型的傳感器通常由pH電極，選擇性參比電極和二氧化碳氣體可滲透膜組成。潛在的變化是由積聚的二氧化碳氣體在水中的溶解以及隨后電極中碳酸分子解離釋放的氫離子引起的。獲得潛在的變化以發現電極吸收的二氧化碳氣體量的量變。

基于聚合物基質的低成本柔性pH傳感器可用于監測農業和食品的質量。聚合物pH傳感器中的柔性傳感膜是通過氧化銥的溶膠—凝膠制造工藝開發的，并在其上安裝了一對小型化的IrOx/AgCl電極；由柔性傳感膜產生的電勢作為系統中的pH值。該pH傳感器克服了傳統的玻璃型電極的實際問題，其具有玻璃脆性，大尺寸限制以及缺乏變形性等限制。

3 氧氣傳感器

眾所周知，氧氣對農產品和食品的質量，特別是在農業和食品加工，分銷和銷售階段由微生物生長引起的內部組分的氧化影響很大。氧氣濃度是包裝農產品和食品的重要因素；因此，包裝中的氣體被認為是農產品和食品質量指標的理想物質。內部大氣中的氧氣濃度影響在高氧含量下變質的農產品和食品的質量和保質期；因此，氧氣傳感器已經被引入到農業和食品包裝系統中，以指示氧氣的存在并且在溶解狀態和氣相中對其進行量化。

體傳感器分為三種類型，即物理傳感器，化學傳感器和生物傳感器。大體上，根據傳感器的類型，氧傳感器可以分為熱磁，光學和電化學三種類型。化學傳感器或生物傳感器的典型響應機制如圖1所示。當組裝在傳感器上的接收器感測到決定簇時，發生化學或生物化學反應。然后，換能器將化學能轉化為電能以獲得電勢或伏安信號以監測氣體濃度的變化。電化學傳感器可以分為電位計，伏安和電流傳感器。熱磁式氧傳感器是基于氧的物理特性，并且相當大的努力一直致力于光纖氧傳感器的開發。相反，電化學傳感器開發的研究尚未受到相當的關注。

熱磁氧傳感器（物理特性）。眾所周知，物質具有固有的物理特性，如磁化率。有一系列氣體，如氧氣，二氧化氮和二氧化氯，表現出強烈的順磁效應。可以被磁場吸引的氣體被稱為順磁性氣體。

熱磁氧傳感器是根據磁化率原理制造的；進入傳感器非均勻磁場的分子氧氣被迫沿著強磁場流動，在強磁場中溫度被加熱的電線升高。隨后，磁化率降低，因為分子在熱吸收后開始失去其磁性，導致磁場吸引力減弱。然后，磁場的損失由具有較高磁化率的未加熱的氧氣補償，這被稱為熱對流現象。熱磁氧傳感器具有有趣的特征，例如結構簡單并且易于制造。然而，熱磁氧傳感器的發展受到了阻礙，因為它們響應慢，測量誤差明顯，熱元件腐蝕。化學氧氣傳感器。化學傳感表示由基板反應引起的實時信息獲取過程，其中電信號來自相互作用。大多數化學氧氣傳感器都是基于電位或電壓表-電流表電化學反應方法。電勢平衡傳感器，也被視為固態電位氧傳感器，在電位模式下工作。它們基于氧離子傳導固體電解質，并在工業中用于各種應用。氧化物半導體氧傳感器基于氧化物半導體如TiO2，Nb 2 O5和CeO2的電阻變化，這是由于氧化物半導體本身根據周圍大氣的氧分壓氧化或還原所致。在極限電流安培傳感器中，氧氣通過施加外部電勢從電解質的一側被驅動到另一側，類似于熱磁氧傳感器。這些類型的化學傳感器依賴于300～1000℃的高溫，并可用于極端環境。但是，高溫氧傳感器主要針對發動機等高級應用開發。由于能源消耗和設備尺寸的原因，加熱設備不可行，而且對于農業和食品包裝系統的引入來說過于奢侈。與熱電式氧傳感器相比，常溫氧傳感器更適用于生物技術，醫藥，環境以及農業和食品包裝工業。在正常環境條件下用于這種應用的傳感器包括Clark電極，含水電化學電池，光學傳感器以及其他濕式或固體形式的傳感器。

參考文獻

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