長期以來，食品安全領(lǐng)域中對飲料pH值的精確檢測至關(guān)重要，因?yàn)閜H值不僅影響飲料的口感和風(fēng)味，還直接關(guān)聯(lián)到其保質(zhì)期和消費(fèi)者健康。傳統(tǒng)的玻璃電極由于易碎、體積大和頻繁的校準(zhǔn)，在食品監(jiān)測應(yīng)用中面臨限制。因此，開發(fā)新型、簡便且高靈敏度的傳感器技術(shù)對于提升食品安全監(jiān)測水平具有重要意義。
2025年3月，湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院常鋼教授與健康科學(xué)與工程學(xué)院何漢平教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，在《Food Chemistry》上發(fā)表了一項(xiàng)題為“SnO??Electrolyte-gated Thin Film Transistor for Highly Sensitive pH Detection of Beverages”的研究，介紹了一種基于SnO?的電解質(zhì)柵控薄膜晶體管（EGTFT）pH傳感器，為飲料pH值的高靈敏檢測提供了新方案。
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為了克服傳統(tǒng)玻璃電極中的障礙，基于離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET）的pH傳感器由于其小型化、低成本和快速響應(yīng)能力而獲得了廣泛的關(guān)注和研究。然而，ISFET的靈敏度受到能量響應(yīng)的限制，其在298K溫度下的理論最大值為59 mV/pH。研究發(fā)現(xiàn)，基于電解質(zhì)柵控薄膜晶體管（EGTFT）的pH傳感器可以超越Nernst限制。該傳感器利用電解質(zhì)溶液作為晶體管的柵極介電層，允許溶液和通道之間的直接接觸，從而提高對H+離子的靈敏度。此外，EGTFT的結(jié)構(gòu)更簡單，降低了制造過程的成本和復(fù)雜性，并且工作在極低的電壓下，最大限度地降低了功耗，這對傳感器芯片的集成應(yīng)用非常有利。到目前為止，利用EGTFT進(jìn)行pH傳感的研究仍然有限。
該團(tuán)隊(duì)成員王汝靈、蔡志偉等人通過低成本的溶膠-凝膠工藝，成功開發(fā)了一種基于SnO?的EGTFT pH傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器在低功耗條件（V = 0.5 V）下運(yùn)行，展現(xiàn)出78.99 mV/pH的高靈敏度，超越了能斯特極限。SnO?敏感層的優(yōu)越穩(wěn)定性和耐腐蝕性使得傳感器在14天的長期穩(wěn)定性測試中，電流保持在初始值的97%以上。實(shí)際測量飲料pH值的結(jié)果顯示了高精度，表明SnO?-EGTFT pH傳感器可作為食品工業(yè)中高靈敏度和穩(wěn)定pH檢測的優(yōu)良平臺。
圖1.?(A) SnO2-EGTFT pH傳感器的制作工藝，(B)原理圖，(C)轉(zhuǎn)移曲線和(D)輸出曲線。
SnO?-EGTFT pH傳感器在pH值變化時(shí)，10秒內(nèi)即可達(dá)到90%的信號穩(wěn)定，展現(xiàn)出快速的響應(yīng)能力。同時(shí)，其在不同pH循環(huán)測試中電流變化較小，具有低滯后和高重復(fù)性。這種快速響應(yīng)特性使得傳感器能夠及時(shí)捕捉到飲料pH值的細(xì)微變化，對于實(shí)時(shí)監(jiān)測飲料生產(chǎn)過程中的pH變化具有重要意義。此外，傳感器的低滯后和高重復(fù)性也為其在自動化檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可能，能夠?qū)崿F(xiàn)對大量飲料樣本的快速、準(zhǔn)確檢測，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制水平。
圖2.?(A) SnO2-EGTFT pH傳感器在不同pH值緩沖液中的傳遞曲線。(B) Vth與pH值的線性關(guān)系。 (C) SnO2-EGTFT的SS隨pH值的變化。(D)不同pH值下SnO2-EGTFT pH傳感器的輸出曲線。(E)不同pH值下SnO2-EGTFT pH傳感器的電流-時(shí)間（I-t）曲線。(F) pH值在5.7 ~ 7.4之間循環(huán)時(shí)，SnO?-EGTFT pH傳感器的實(shí)時(shí)響應(yīng)。
在實(shí)際測量中，該傳感器對多種飲料的pH值進(jìn)行了準(zhǔn)確檢測，與商業(yè)pH計(jì)相比，最大偏差僅為0.05 pH，展現(xiàn)出卓越的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，在檢測可口可樂、綠茶、金桔檸檬茶、橙味汽水、無氣蘇打水、純牛奶、胡蘿卜汁、咖啡、奶茶、威士忌和椰汁等市場常見飲料時(shí)，傳感器均能快速響應(yīng)并給出精確的pH值讀數(shù)，且在高糖、高鹽和有機(jī)酸等復(fù)雜基質(zhì)中表現(xiàn)出良好的抗干擾能力。
表1.??SnO2-EGTFT pH傳感器在實(shí)際樣品中的測試。
SnO?-EGTFT pH傳感器的成功開發(fā)，為食品安全監(jiān)測提供了高靈敏度、高穩(wěn)定性的檢測手段。其簡便的制備工藝和優(yōu)異的性能，使其在實(shí)際應(yīng)用中具有廣闊的前景，也為其他需要精確pH監(jiān)測的領(lǐng)域提供了有效的技術(shù)解決方案。例如，在環(huán)境監(jiān)測中，可用于檢測水體和土壤的pH值，評估環(huán)境污染程度；在生物醫(yī)學(xué)研究中，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測生物體內(nèi)的pH變化，為疾病診斷和治療提供依據(jù)。此外，該傳感器的低成本和小型化特點(diǎn)也使其在便攜式檢測設(shè)備和可穿戴設(shè)備中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，能夠滿足不同場景下的pH監(jiān)測需求，為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了新的思路和技術(shù)支持。
Doi: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2025.143868
