QCM传感器气体检测系统设计及其在鸡蛋品质检测中的应用

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基于气敏传感器阵列的电子鼻系统在食品品质无损检测方面得到了越来越广泛的应用,常见的电子鼻系统多采用金属氧化物半导体气敏传感器构成传感器阵列,然而该类传感器工作温度较高,通常为200~500℃,系统能耗较大,传感器响应速度较慢、灵敏度较低。针对金属氧化物半导体气敏传感器工作温度较高、能耗大、灵敏度较低的缺点,本课题制备了可在室温下工作的、具有高灵敏度的石英晶体微天平(Quartz crystal microbalance,QCM)气敏传感器,构成传感器阵列,开发了石英晶体微天平传感器气体检测系统,实现对鸡蛋品质的无损检测与评价。本课题主要完成的工作及结论如下:  (1)搭建了QCM传感器气体检测实验平台,开发了一套适用于QCM气敏传感器阵列的气体检测系统,主要包括晶体振荡电路、频率测量模块、下位机控制模块及上位机软件模块。该系统能够实现四路石英晶体微天平传感器的驱动、频率测量、数据实时显示、储存、回放与分析等功能。  (2)采用浸涂法制备了分别修饰有氧化铜、碳纳米管、聚苯胺、石墨烯敏感材料薄膜的QCM传感器,构成QCM传感器阵列。利用场发射扫描电镜对修饰后传感器的微观形貌进行表征,四种敏感材料均呈现出良好的形貌。通过分析传感器的响应幅值与响应时间,优化了四种敏感材料的最佳修饰层数。测试了四个传感器对乙醇、硫化氢、氨气、二甲胺气体的响应情况,探究了所制备的QCM传感器的灵敏度、重复性回复性、选择性以及长期稳定性,实验结果证明所制备的QCM传感器阵列具有良好的气敏性能。  (3)通过所制备的QCM传感器阵列与自行开发的QCM气体检测系统,探明了鸡蛋品质随储藏时间增加的变化规律,发现了不同产地鸡蛋之间挥发性气体的差异。采用主成分分析与线性判别分析方法能够区分不同货架期的鸡蛋,采用最小偏二乘回归分析结合核主成分分析方法,能够建立鸡蛋货架期的回归模型,获得良好的预测效果;采用线性判别分析法能够对不同产地的鸡蛋进行区分与预测,实现了QCM传感器对鸡蛋品质的无损检测,为QCM传感器阵列在食品品质检测中的应用提供参考。
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