基于三维石墨烯的新型气体传感器对肉品检测的敏感机理研究

The meat quality and dominant spoilage bacteria can effectively evaluated and distinguished by detecting the type and concentration of volatile gas. The information of the high concentration gas from spoiled meat can be obtained according the most widely-used electronic nose technology, however, the qualitative or quantitative analysis of the low concentration gas produced in the early stage of metamorphism can’t be detected. Preliminary studies showed that, a new gas sensor based on three-dimensional graphene had very high sensitivity and selectivity, as well as much faster response/recovery when used to measure trace gas. However, the sensitive mechanism of the gas sensor is not clear. In this study, based on the OTFT gas sensor with a three-dimensional porous network structure of rGO/TiO2/PANI as the sensor film, a response model of the gas sensor on different types and quantities of dominant spoilage bacteria will be developed. For clarify the microscopic response mechanism, the carrier transport properties and the dynamic response process will be analyzed. The findings will provide the theoretical basis and technical support for the development of gas sensors with high sensitivity, high selectivity and fast response/recovery under room temperature. They will also greatly guide the development of meat storage life prediction and food safety pre-warning.

通过检测特征气体的种类和浓度能有效评价肉品品质和区分优势腐败菌。当前应用最广的电子鼻技术能获得变质肉品发出的高浓度气体的整体信息，而无法对变质初期已产生的异于新鲜肉品的低浓度气体进行定性和定量分析。前期研究表明，基于三维石墨烯的新型气体传感器感测痕量特征气体，表现出具有极高的灵敏度、选择性和更快的响应/恢复，但敏感机理尚不明确。本研究以具有三维多孔网状结构的石墨烯/二氧化钛/聚苯胺为敏感薄膜的有机薄膜晶体管气体传感器为基础，建立气体传感器电化学特性参数与优势腐败菌的种类和数量之间的响应模型，研究其载流子输运特性理论，分析气体分子响应过程动力学，从而阐明其微观响应机理，为研制出具有高灵敏度、高选择性和快速响应/恢复且能在常温下操作的气体传感器提供相应的理论依据与技术支持，也为肉品货架期限预测及食品安全预警方面的发展提供有力的指导。

通过检测特征气体的种类和浓度能有效评价肉品品质和区分优势腐败菌。当前应用最广的电子鼻技术能获得变质肉品发出的高浓度气体的整体信息，而无法对变质初期已产生的异于新鲜肉品的低浓度气体进行定性和定量分析。. 本研究以具有三维多孔网状结构的石墨烯/二氧化钛/聚苯胺为敏感薄膜的有机薄膜晶体管气体传感器为基础，建立气体传感器电化学特性参数与优势腐败菌的种类和数量之间的响应模型，研究其载流子输运特性理论，分析气体分子响应过程动力学，从而阐明其微观响应机理。. 在气体传感器结构理论模拟与优化设计、制备方面，我们分别采用循环伏安法和定电流法优化了感测电极的制备。在丙酮气体浓度为475~1189ppm 与23~118ppm范围内，气体传感器对应灵敏度分别为1.2×10-3和6.4×10-3% /ppm, 平均响应时间为3min，TiO2纳米颗粒的加入能显著提高传感器的稳定性。对0~10ppm氨气进行感测，当相对湿度分0%时，感测电极的灵敏度为1.14μA ppm-1cm-2，当相对湿度提高到97~98%，电极感测灵敏度提升10.6倍达到12.06μA ppm-1cm-2。对0~10ppm氢气感测时，该电极同样表现出良好的线性关系。. 以新鲜猪肉为研究对象，采用PCR-DGGE 技术研究了猪肉腐败过程中微生物菌群的动态变化，同时采用GC-MS 分析猪肉腐败过程中产生的特征挥发物的组成变化规律，获得了猪肉制品中典型微生物菌群的种类和数量与其特征挥发物的类型和浓度之间的影响规律。分析和比较了OTFT 传感器的电流、阈值电压、场效应迁移率、电流开关比、亚阈值斜率等参数与特征气体的对应关系。以Miller-Abrahams 跳跃传导理论为基础，建立了在rGO/TiO2/PANI 异质界面载流子传输的解析模型，分析了敏感薄膜的结构和组成对载流子传输的影响规律，进而提出了敏感薄膜中载流子注入和传输机理。为研制出具有高灵敏度、高选择性和快速响应/恢复且能在常温下操作的气体传感器提供相应的理论依据与技术支持，也为肉品货架期限预测及食品安全预警方面的发展提供有力的指导。