挥发性化合物不仅有助于形成食品和饮料中独特的风味和香气，还可以作为变质、污染或潜在有害物质存在的指示。由于食品原料和产品的气味携带着有关其状态的宝贵信息，因此气体传感器在确保食品生产和销售各个阶段的安全和质量方面发挥着关键作用。在食品行业广泛应用的气体检测设备中，金属氧化物半导体（MOS）气体传感器最为重要。正在进行的研究和开发工作大大提高了它们的性能，使其成为监测和确保食品质量的非常有用的工具；然而，它们在选择性方面的局限仍然是一项挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，波兹南生命科学大学（Poznań University of Life Sciences）的研究人员在Chemical Sensors期刊上发表了题为“Advancements in Improving Selectivity of Metal Oxide Semiconductor Gas Sensors Opening New Perspectives for Their Application in Food Industry”的综述文章，探讨了提高MOS气体传感器选择性的各种策略和技术，包括创新的传感器设计、先进材料的集成以及测量方法和模式识别算法的改进。本论文所讨论的MOS气体传感器的进展，例如降低对干扰气体的交叉灵敏度、提高检测限以及提供更准确的挥发性有机化合物（VOC）评估，有望进一步扩大其在各种领域（包括食品加工和储存）的应用，最终使产业和消费者受益。
MOS气体传感器的设计和工作原理
MOS气体传感器的工作原理基于敏感材料在气体组分下表面发生氧化还原反应后的物理和化学性质变化。典型MOS气体传感器的关键部件包括衬底、金属氧化物传感层、电极、微加热器和保护层。下图显示了MOS气体传感器的设计示意图。
MOS气体传感器的设计
MOS气体传感器的工作依赖于半导体材料暴露于周围环境中的还原性或氧化性气体时电性能的变化。通过这种方式，从目标分析物与敏感材料的选择性相互作用中获得的非电化学信息被转换成分析上有用且易于测量的电信号。MOS气体传感器工作过程的基本示意图如下图所示。
MOS气体传感器工作过程的基本示意图
MOS气体传感器的进展
灵敏度、选择性和稳定性被广泛认为是气体传感器的关键参数，它们与敏感材料和目标气体分子之间的特定相互作用有关。最近关于改进MOS气体传感器这些参数的研究主要涉及设计新的或修饰的敏感材料，而选择性的提高可能得益于新测量方法的发展和通过提取测量信号的特定特征来解释气体传感器响应的新技术的发展。
增强气体分子在传感表面的吸附对于提高气体传感器的灵敏度、选择性和稳定性至关重要。这可以通过几种策略来实现，包括增加可用吸附位点的数量，促进氧空位的形成，以及增强表面催化活性。研究人员介绍了最近用于实现此目标的一些方法。
用于MOS气体传感器的敏感材料
一种渐进式策略涉及敏感材料的化学修饰。纳米结构的引入以及通过金属氧化物与金属颗粒或其它元素的集成可实现敏感材料的修饰，对MOS气体传感器产生了重大影响。这种策略促进了更大的活性表面积，增强了目标气体在敏感材料上的吸附，并提高了传感器对分析物的选择性，同时减少了来自其它气体的干扰。敏感材料的化学掺杂还通过改变载流子浓度来改善其电学性能，从而提高传感器对特定气体的灵敏度，延长其长期稳定性和耐用性。掺杂材料的独特性能与敏感材料的金属氧化物特性相结合，也使得能够开发出在室温或高温下有效工作的MOS气体传感器。
另一种可以提高MOS气体传感器性能的方法涉及测量方法的进步和其响应信号解释新技术的发展。MOS气体传感器的热调制技术使得单个MOS气体传感器的检测能力与在不同温度下工作的几个相同类型的传感器相当，这是这种方法的一个很好的例子。由于此类气体检测过程中的响应模式产生复杂的波形，为了增强混合气体的定量分析，不断开发了将统计方法与现代机器学习技术相结合的算法。利用MOS气体传感器改进气体检测也可以通过开发配备传感器阵列设计的电子鼻来实现。将几种气体传感器的特性结合起来，可以减少混合物中气体分子定量分析的局限性，并提高识别能力。
MOS气体传感器在食品工业中的应用
下图描述了MOS气体传感器在食品工业中最常见的应用。MOS气体传感器的使用对于确保食品在生产和销售的各个阶段的安全和质量至关重要。除此之外，MOS气体传感器还有助于监测是否符合监管标准，因为其可以识别食品中的污染物，例如农药、化学品和过敏原。利用配备有10个MOS气体传感器的电子鼻，在主成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）和支持向量机（SVM）等判别算法的支持下，对苹果样品中氯氰菊酯和毒死蜱两种农药进行了检测，结果表明，所采用的MOS气体传感器阵列能够准确识别苹果样品中的农药残留。
MOS气体传感器在食品工业中的应用
总而言之，在提高MOS气体传感器的选择性方面取得的进展为食品工业带来了巨大的希望。基于纯金属氧化物的气体传感器表现出有限的选择性，但MOS气体传感器技术的最新创新代表着在提高这些气体检测装置的有效性方面向前迈出了重要的一步。研究人员所讨论的MOS气体传感器技术的进展表明，通过降低对干扰气体的交叉灵敏度、降低检测限以及提供更准确的数据，气体传感器有可能彻底改变食品行业的质量控制、安全性和可追溯性。MOS气体传感器能够实时检测变质、污染和其他关键因素，有助于延长保质期，减少食物浪费，并最终确保消费者以合理的价格获得高质量、更安全的食品。随着MOS气体传感器选择性的提高，在食品安全和质量控制方面的应用前景广阔。MOS气体传感器灵敏度的进一步提高可能会改善气体混合物中的化合物识别能力，最终使食品行业和消费者受益。
论文信息：
https://www.mdpi.com/1424-8220/23/23/9548
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