用于智能包裝的柔性有機(jī)聚合物氣體傳感器及其系統(tǒng)集成

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相關(guān)消費(fèi)電子產(chǎn)品的高需求和快速發(fā)展，人們已開發(fā)出各種方法，將不同類型的指示器或傳感器集成在食品包裝中，用于快捷檢測(cè)食品的質(zhì)量安全。智能包裝技術(shù)是監(jiān)測(cè)包裝食品狀態(tài)的有效方法，可以減少食物浪費(fèi)以及食源性疾病的發(fā)生。食品質(zhì)量可以通過檢測(cè)與食品降解和/或氣調(diào)包裝中氣體含量相關(guān)的揮發(fā)性化合物來直接評(píng)估。目前，基于有機(jī)/聚合物功能材料的柔性氣體傳感器已被廣泛研究，通過利用其電氣或機(jī)械性能可以實(shí)現(xiàn)微量氣體檢測(cè)。

智能包裝系統(tǒng)的概念圖示

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，上海交通大學(xué)郭小軍教授、劉瑞麗副教授、李思瑩博士等研究人員在Advanced Sensor Research期刊發(fā)表了一篇題為“Flexible Organic Polymer Gas Sensor and System Integration for Smart Packaging”的綜述文章，討論了智能包裝對(duì)氣體傳感器及其系統(tǒng)集成的要求，回顧了柔性有機(jī)/聚合物氣體傳感器和智能包裝應(yīng)用系統(tǒng)集成的最新進(jìn)展和策略，并分析了柔性氣體傳感器及其系統(tǒng)集成在智能包裝應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

智能包裝對(duì)氣體傳感器及其系統(tǒng)集成的要求

將智能包裝技術(shù)應(yīng)用于食品的目的不僅是延長(zhǎng)保質(zhì)期和提高食品安全性，還包括與整個(gè)供應(yīng)鏈中的消費(fèi)者交換食品質(zhì)量和追溯信息。由于目標(biāo)氣體的濃度在ppb至ppm范圍內(nèi)，用于智能包裝的氣體傳感器需要具備高選擇性、高靈敏度和長(zhǎng)期耐用性。更重要的是，在運(yùn)輸過程中，氣體傳感器需要具備足夠的靈敏度和柔韌性，能夠適應(yīng)變形或嚴(yán)苛的外力條件。此外，氣體傳感器應(yīng)該易于與簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的讀出接口電路集成。

目前，智能包裝技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)的主要制約因素是其生產(chǎn)成本高，印刷柔性氣體傳感器和電路有望顯著降低其成本。印刷/涂層技術(shù)具有高通量、無掩模、低溫和大面積加工等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是在各種基材上制造氣體傳感器的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，并且與包裝行業(yè)兼容。用于智能包裝的氣體傳感器的材料，包括基板、電極和活性層應(yīng)該無毒、低成本，并適用于大規(guī)模加工。為了實(shí)現(xiàn)通信和信息功能，還需要有效的系統(tǒng)集成方法，將傳感器和讀出電路、天線、顯示器、電池集成在智能包裝系統(tǒng)中，以便通過智能手機(jī)與消費(fèi)者進(jìn)行交互。

提高智能包裝氣敏性能的策略

為了滿足智能包裝的要求，柔性有機(jī)/聚合物氣體傳感器需要解決靈敏度低、響應(yīng)慢、穩(wěn)定性差等性能方面的問題。為了提高印刷柔性有機(jī)/聚合物氣體傳感器的性能，在材料和加工方法方面，可以采取幾種策略，包括調(diào)整敏感層形貌和微觀結(jié)構(gòu)、使用官能團(tuán)修飾活性層，以及與多組分傳感材料進(jìn)行混合等方法。

調(diào)整氣體傳感器敏感層形貌和微觀結(jié)構(gòu)是提高傳感器性能的有效方法。通常，輕薄、粗糙和多孔的形貌有助于提高傳感器的性能，因?yàn)楦弑砻骟w積比及孔隙的存在不僅為氣體吸附提供了較大的表面積，還促進(jìn)了氣體分子通過敏感層的擴(kuò)散。目前研究人員們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從一百納米到幾納米甚至分子水平的敏感層厚度。

Li等人提出的優(yōu)化和表征氣體敏感層形貌的方法

為了提高氣體傳感器的選擇性，利用對(duì)目標(biāo)氣體具有特定靈敏度的化學(xué)官能團(tuán)修飾活性層表面是一種有效的策略。將具有特殊官能團(tuán)的有機(jī)活性材料功能化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)/聚合物氣體傳感器的選擇性定制，是目前重要的發(fā)展趨勢(shì)之一。

Chang等人提出的官能團(tuán)修飾活性層的方法

此外，與單一傳感材料相比，將不同的功能導(dǎo)電或半導(dǎo)體納米材料（例如金屬、金屬氧化物、碳納米管和石墨烯）摻雜到有機(jī)聚合物中也可以提高智能包裝的氣敏性能。由于不同種類材料之間的協(xié)同作用，復(fù)合薄膜可以提供更多的活性位點(diǎn)和界面，與目標(biāo)氣體相互作用，從而提高氣體傳感器的性能。

Li等人提出的利用復(fù)合薄膜作為活性層的方法

用于智能包裝的柔性氣體傳感器系統(tǒng)集成策略

在柔性基板上實(shí)現(xiàn)智能包裝系統(tǒng)集成的方式有兩種。一種是使用柔性印刷電子器件和嵌入式硅芯片的柔性混合集成系統(tǒng)。智能包裝對(duì)價(jià)格敏感且需要高度定制化，常見的基于MEMS技術(shù)的傳感器解決方案受到設(shè)計(jì)多樣化、單位面積成本高（尤其是小批量生產(chǎn)時(shí)）以及從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)周期長(zhǎng)等限制，難以滿足要求，因此柔性混合集成系統(tǒng)策略為智能包裝提供了一個(gè)有前景的解決方案。另一種是無需任何硅芯片的全印刷柔性集成系統(tǒng)。雖然印刷邏輯電路遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)的硅基技術(shù)解決方案成熟，性能也無法與當(dāng)前的硅基技術(shù)相提并論。不過，印刷方案足以滿足性能相對(duì)簡(jiǎn)單的智能包裝應(yīng)用。更重要的是，印刷組件集成了柔性系統(tǒng)（例如顯示器、晶體管、電池、RFID和傳感器），可以根據(jù)不同的功能應(yīng)用進(jìn)行定制。這種策略進(jìn)一步降低了系統(tǒng)制造成本并提高了靈活性，是實(shí)現(xiàn)智能包裝系統(tǒng)集成的可行方案。

Zhu等人提出的智能包裝柔性混合集成系統(tǒng)

Kang等人提出的無線智能包裝系統(tǒng)

由于傳感材料與待測(cè)氣體之間難以實(shí)現(xiàn)特異性檢測(cè)，僅依靠傳感器本身實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)氣體的檢測(cè)和識(shí)別很困難，因此需要通過構(gòu)建多個(gè)傳感器或陣列來提高識(shí)別的準(zhǔn)確性。氣體傳感器陣列會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。在氣體傳感信號(hào)處理方面，近年來，研究人員們?cè)谥悄軝C(jī)器學(xué)習(xí)（ML）算法方面進(jìn)行了大量的工作，例如主成分分析（PCA）、線性判別分析（LDA）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、支持向量機(jī)（SVM）和隨機(jī)森林（RF）等都是用于監(jiān)測(cè)食品安全和質(zhì)量的電子鼻的典型數(shù)據(jù)分析和信號(hào)處理方法。

用于評(píng)估智能包裝系統(tǒng)食品質(zhì)量和安全的氣體傳感器數(shù)據(jù)分析和處理示意圖

柔性氣體傳感器及其系統(tǒng)集成在智能包裝應(yīng)用中的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

在氣體傳感器真正用于智能包裝之前，目前仍有許多挑戰(zhàn)需要克服。首先，傳感器的重復(fù)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和靈敏度是實(shí)現(xiàn)智能包裝應(yīng)用的關(guān)鍵?？捎糜谑称钒b的傳感材料種類有限，設(shè)計(jì)者需要在靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和安全性之間進(jìn)行權(quán)衡。一方面，與食品直接接觸的包裝材料不應(yīng)帶來任何健康風(fēng)險(xiǎn)，因此開發(fā)基于生物和可食用材料的傳感材料是一個(gè)有前景的解決方案。另一方面，納米材料制備和加工的進(jìn)展使得傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間和靈敏度得到了提高。然而，在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)特定目標(biāo)氣體的選擇性仍然是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。通過構(gòu)建氣體傳感器陣列、利用信號(hào)處理和開發(fā)電子鼻技術(shù)，可以提高識(shí)別的準(zhǔn)確性。因此，了解傳感材料納米結(jié)構(gòu)、器件結(jié)構(gòu)、陣列排布和數(shù)據(jù)處理算法在氣體傳感器的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間方面的作用機(jī)制非常重要。

除此之外，在柔性氣體傳感器應(yīng)用于智能包裝的商業(yè)化過程中，還需要考慮諸多限制因素，例如立法規(guī)則、消費(fèi)者偏好和市場(chǎng)動(dòng)機(jī)等。

審核編輯：劉清