基于传感器技术对农业和食品质量实时监测的研究

裘进 顾志丰

摘 要 本文讨论了主要用于二氧化碳或氧气传感的不同传感器的细节，以及它们可能被纳入农产品和食品包装以进行产品质量监测的可能性。信号传感器通过将一种能量数据转换成另一种形式的数据。例如RFID传感器，它有助于在智能包装系统中建立产品质量传感器和通信组件之间的通信。

关键词 二氧化碳传感器 智能农业和食品包装 氧气传感器 农业 信号转换

中图分类号：TP212.9 文献标识码：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

智能包装被定义为包含内部、外部传感器或指示器的包装，以提供包装历史和/或其内部农业和食品质量的信息。包装有助于延长保质期，并保护农业和食品免受因内部和外部因素造成的腐败。包装农业和食品主要是为了保护农产品和食品不受环境因素和其他外在因素的影响，保存并容纳加工过的农产品和食品，并向消费者提供与成分和营养有关的信息。易腐农业和食品如畜产品，水果，蔬菜和烘焙食品的保质期受到三个主要因素的影响：与大气中的氧氣发生化学反应，好氧性腐败微生物的生长以及发生虫害。近几十年来，农业和食品工业在包装技术方面发展迅速，尤其是包装材料、包装方法、包装设备和辅助设备。

目前食品安全和质量已成为重要问题。消费者不仅更关注保持农产品和食品长期保鲜和安全的新方法，而且还热衷于了解农产品和食品在整个分销周期中的新鲜状况。因此，农业和食品包装在整个生产，储存和销售的食品保护中发挥着重要作用。尽管无装饰的包装系统对促进农产品和食品分销系统的早期发展作出了很大贡献，但目前这种系统还不够充足，因为目前的技术已变得越来越复杂。传统的农业和食品包装不能满足顾客的需求变化，他们正在积极地寻求农产品和食品的质量，新鲜度和安全性。为了满足这些要求并提高整体包装性能，创新主动和智能包装的概念已经提出并成功应用。Yam将智能包装定义为能够执行智能功能（如检测，传感，记录，追踪，通信和应用科学逻辑）的包装系统，以便于决策制定以延长保质期，增强安全性，提高质量，提供信息并警告可能出现的问题。根据最新的定义，智能包装被定义为包含外部或内部指标的包装，以提供有关包装进程方面或农产品和食品质量方面的信息。创新农业和食品包装的例子包括抗菌包装，气调包装，食用和生物可降解包装，以及包装中的新鲜度指标。农业和食品包装的功能超出其习惯用途。创新的包装系统增加了安全性，便利性，尤其是向最终用户提供信息。

1 农业和食品质量指示传感器

在新时代，化学传感器和生物传感器新材料的发展和加工技术的进步迅速发展。传感器技术已成为一个复杂而全面的课题。根据Ramamoorthy的定义，传感器通常基于三个方面进行分类：灵敏度，选择性和响应时间。灵敏度用于描述在预设条件下定量测量测试气体的能力，这取决于所用材料的固有物理和化学性质。传感器的选择性被定义为除了干扰之外分离感兴趣的气体的能力。响应时间用于评估气体浓度变化过程中最大信号变化的速度。另外，不可逆性也是评估传感器性能的一个显着因素。氧气和二氧化碳传感器的组装已经开发用于农业和食品包装。近年来，科学家们一直在试图将生物传感器纳米技术整合在一起，以提高响应速度，准确性和灵敏度。因此，纳米生物传感器正在成为检测农产品和食品质量和安全的常规解决方案的显着替代品。本文主要关注二氧化碳传感器和氧传感器，因为这些气体在包装农业和食品的顶部空间中也是预测其质量，成熟度或腐败变化的重要因素。

2 二氧化碳传感器

由微生物引起的食品是否发酵或腐败是指示农产品和食品质量和安全性的主要因素。在农业和食品的发酵或腐败过程中，氧气减少，二氧化碳积聚。已经开发了许多主要用于传感器开发的二氧化碳检测技术，并且这种传感器包括荧光二氧化碳传感器，干式光学二氧化碳传感器，基于溶胶—凝胶的光学二氧化碳传感器，光子晶体传感器和pH基于湿法光学二氧化碳的指标。研究人员对光学二氧化碳传感器特别感兴趣，因为它们的化学和机械稳定性比其他化学传感器要高。荧光或比色指示剂可以安装在可渗透膜内；尽管如此，这种类型的传感器存在局限性，即对暴露于环境干扰的应用的精度和灵敏度的影响。

以前的研究已经引入了几种二氧化碳传感器，根据其内在的化学或物理性质主要分为两类，即光学传感器和电化学传感器。二氧化碳传感器在智能农业和食品包装工业中的潜在应用已在之前的评论中进行了讨论。Severinghaus二氧化碳传感器。Severinghaus二氧化碳传感器完全基于电化学原理，被认为是二氧化碳检测最经典和最基本的原型。这种类型的传感器通常由pH电极，选择性参比电极和二氧化碳气体可渗透膜组成。潜在的变化是由积聚的二氧化碳气体在水中的溶解以及随后电极中碳酸分子解离释放的氢离子引起的。获得潜在的变化以发现电极吸收的二氧化碳气体量的量变。

基于聚合物基质的低成本柔性pH传感器可用于监测农业和食品的质量。聚合物pH传感器中的柔性传感膜是通过氧化铱的溶胶—凝胶制造工艺开发的，并在其上安装了一对小型化的IrOx/AgCl电极；由柔性传感膜产生的电势作为系统中的pH值。该pH传感器克服了传统的玻璃型电极的实际问题，其具有玻璃脆性，大尺寸限制以及缺乏变形性等限制。

3 氧气传感器

众所周知，氧气对农产品和食品的质量，特别是在农业和食品加工，分销和销售阶段由微生物生长引起的内部组分的氧化影响很大。氧气浓度是包装农产品和食品的重要因素；因此，包装中的气体被认为是农产品和食品质量指标的理想物质。内部大气中的氧气浓度影响在高氧含量下变质的农产品和食品的质量和保质期；因此，氧气传感器已经被引入到农业和食品包装系统中，以指示氧气的存在并且在溶解状态和气相中对其进行量化。

体传感器分为三种类型，即物理传感器，化学传感器和生物传感器。大体上，根据传感器的类型，氧传感器可以分为热磁，光学和电化学三种类型。化学传感器或生物传感器的典型响应机制如图1所示。当组装在传感器上的接收器感测到决定簇时，发生化学或生物化学反应。然后，换能器将化学能转化为电能以获得电势或伏安信号以监测气体浓度的变化。电化学传感器可以分为电位计，伏安和电流传感器。热磁式氧传感器是基于氧的物理特性，并且相当大的努力一直致力于光纤氧传感器的开发。相反，电化学传感器开发的研究尚未受到相当的關注。

热磁氧传感器（物理特性）。众所周知，物质具有固有的物理特性，如磁化率。有一系列气体，如氧气，二氧化氮和二氧化氯，表现出强烈的顺磁效应。可以被磁场吸引的气体被称为顺磁性气体。

热磁氧传感器是根据磁化率原理制造的；进入传感器非均匀磁场的分子氧气被迫沿着强磁场流动，在强磁场中温度被加热的电线升高。随后，磁化率降低，因为分子在热吸收后开始失去其磁性，导致磁场吸引力减弱。然后，磁场的损失由具有较高磁化率的未加热的氧气补偿，这被称为热对流现象。热磁氧传感器具有有趣的特征，例如结构简单并且易于制造。然而，热磁氧传感器的发展受到了阻碍，因为它们响应慢，测量误差明显，热元件腐蚀。化学氧气传感器。化学传感表示由基板反应引起的实时信息获取过程，其中电信号来自相互作用。大多数化学氧气传感器都是基于电位或电压表-电流表电化学反应方法。电势平衡传感器，也被视为固态电位氧传感器，在电位模式下工作。它们基于氧离子传导固体电解质，并在工业中用于各种应用。氧化物半导体氧传感器基于氧化物半导体如TiO2，Nb 2 O5和CeO2的电阻变化，这是由于氧化物半导体本身根据周围大气的氧分压氧化或还原所致。在极限电流安培传感器中，氧气通过施加外部电势从电解质的一侧被驱动到另一侧，类似于热磁氧传感器。这些类型的化学传感器依赖于300～1000℃的高温，并可用于极端环境。但是，高温氧传感器主要针对发动机等高级应用开发。由于能源消耗和设备尺寸的原因，加热设备不可行，而且对于农业和食品包装系统的引入来说过于奢侈。与热电式氧传感器相比，常温氧传感器更适用于生物技术，医药，环境以及农业和食品包装工业。在正常环境条件下用于这种应用的传感器包括Clark电极，含水电化学电池，光学传感器以及其他湿式或固体形式的传感器。

参考文献

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