Food Chem.| 湖北大学常钢/何汉平团队开发氧化物液栅晶体管传感器用于饮料中pH值的简易高效检测
长期以来，食品安全领域中对饮料pH值的精确检测至关重要，因为pH值不仅影响饮料的口感和风味，还直接关联到其保质期和消费者健康。传统的玻璃电极由于易碎、体积大和频繁的校准，在食品监测应用中面临限制。因此，开发新型、简便且高灵敏度的传感器技术对于提升食品安全监测水平具有重要意义。
2025年3月，湖北大学材料科学与工程学院常钢教授与健康科学与工程学院何汉平教授领衔的研究团队，在《Food Chemistry》上发表了一项题为“SnO₂ Electrolyte-gated Thin Film Transistor for Highly Sensitive pH Detection of Beverages”的研究，介绍了一种基于SnO₂的电解质栅控薄膜晶体管（EGTFT）pH传感器，为饮料pH值的高灵敏检测提供了新方案。
为了克服传统玻璃电极中的障碍，基于离子敏感场效应晶体管（ISFET）的pH传感器由于其小型化、低成本和快速响应能力而获得了广泛的关注和研究。然而，ISFET的灵敏度受到能量响应的限制，其在298K温度下的理论最大值为59 mV/pH。研究发现，基于电解质栅控薄膜晶体管（EGTFT）的pH传感器可以超越Nernst限制。该传感器利用电解质溶液作为晶体管的栅极介电层，允许溶液和通道之间的直接接触，从而提高对H+离子的灵敏度。此外，EGTFT的结构更简单，降低了制造过程的成本和复杂性，并且工作在极低的电压下，最大限度地降低了功耗，这对传感器芯片的集成应用非常有利。到目前为止，利用EGTFT进行pH传感的研究仍然有限。
该团队成员王汝灵、蔡志伟等人通过低成本的溶胶-凝胶工艺，成功开发了一种基于SnO₂的EGTFT pH传感器。实验结果表明，该传感器在低功耗条件（V = 0.5 V）下运行，展现出78.99 mV/pH的高灵敏度，超越了能斯特极限。SnO₂敏感层的优越稳定性和耐腐蚀性使得传感器在14天的长期稳定性测试中，电流保持在初始值的97%以上。实际测量饮料pH值的结果显示了高精度，表明SnO₂-EGTFT pH传感器可作为食品工业中高灵敏度和稳定pH检测的优良平台。
图1. (A) SnO2-EGTFT pH传感器的制作工艺，(B)原理图，(C)转移曲线和(D)输出曲线。
SnO₂-EGTFT pH传感器在pH值变化时，10秒内即可达到90%的信号稳定，展现出快速的响应能力。同时，其在不同pH循环测试中电流变化较小，具有低滞后和高重复性。这种快速响应特性使得传感器能够及时捕捉到饮料pH值的细微变化，对于实时监测饮料生产过程中的pH变化具有重要意义。此外，传感器的低滞后和高重复性也为其在自动化检测系统中的应用提供了可能，能够实现对大量饮料样本的快速、准确检测，提高生产效率和质量控制水平。
图2. (A) SnO2-EGTFT pH传感器在不同pH值缓冲液中的传递曲线。(B) Vth与pH值的线性关系。 (C) SnO2-EGTFT的SS随pH值的变化。(D)不同pH值下SnO2-EGTFT pH传感器的输出曲线。(E)不同pH值下SnO2-EGTFT pH传感器的电流-时间（I-t）曲线。(F) pH值在5.7 ~ 7.4之间循环时，SnO₂-EGTFT pH传感器的实时响应。
在实际测量中，该传感器对多种饮料的pH值进行了准确检测，与商业pH计相比，最大偏差仅为0.05 pH，展现出卓越的准确性和可靠性。例如，在检测可口可乐、绿茶、金桔柠檬茶、橙味汽水、无气苏打水、纯牛奶、胡萝卜汁、咖啡、奶茶、威士忌和椰汁等市场常见饮料时，传感器均能快速响应并给出精确的pH值读数，且在高糖、高盐和有机酸等复杂基质中表现出良好的抗干扰能力。
表1. SnO2-EGTFT pH传感器在实际样品中的测试。
SnO₂-EGTFT pH传感器的成功开发，为食品安全监测提供了高灵敏度、高稳定性的检测手段。其简便的制备工艺和优异的性能，使其在实际应用中具有广阔的前景，也为其他需要精确pH监测的领域提供了有效的技术解决方案。例如，在环境监测中，可用于检测水体和土壤的pH值，评估环境污染程度；在生物医学研究中，可用于实时监测生物体内的pH变化，为疾病诊断和治疗提供依据。此外，该传感器的低成本和小型化特点也使其在便携式检测设备和可穿戴设备中具有潜在的应用价值，能够满足不同场景下的pH监测需求，为相关领域的研究和应用提供了新的思路和技术支持。
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