无源 RFID 气体传感器问世：精准监测 UHT 牛奶二次保质期，守护食品安全

原创

来源：李康倩

2026-04-30 15:25:06

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核心提示：印度理工学院研究团队成功研发一款高频无源 RFID 气体传感器，可通过检测牛奶变质产生的丙酮气体，无创、实时监测超高温灭菌（UHT）牛奶的二次保质期，为乳制品安全与减少食物浪费提供全新技术方案。

研究背景

超高温灭菌（UHT）牛奶凭借常温下 6-9 个月的长保质期，成为全球主流乳制品之一。但包装开启后，其二次保质期（SSL）大幅缩短，受储存温度影响显著，且易因微生物污染快速变质。传统微生物检测、理化分析方法耗时繁琐，难以实现实时、无损监测。

目前，基于 RFID/NFC 的气体传感器多以氨气为标志物，应用于肉类、果蔬等变质检测，尚无针对 UHT 牛奶二次保质期、以丙酮为标志物的 RFID 传感技术。同时，牛奶开启后储存温度波动大，亟需可适配多温度场景、稳定可靠的无创检测手段。

在此背景下，印度理工学院 Kharagpur 分校研究团队开发出无源高频 RFID 气体传感器，通过识别牛奶变质特征挥发性有机物，实现二次保质期精准无线监测，相关成果发表于《Journal of Food Engineering》。

研究内容

1.保质期建模与标志物筛选

研究选取 10℃、20℃、37℃、45℃四种储存温度，采用 Baranyi-Roberts 模型拟合微生物生长数据，依据印度食品安全标准局（FSSAI）阈值（10.29 ln CFU/mL）确定不同温度下 UHT 牛奶二次保质期；通过顶空固相微萃取 - 气相色谱 - 质谱（HS-SPME GC-MS）分析变质挥发物，筛选特征标志物。

2.传感器制备与系统搭建

以商用高频无源 RFID 标签为基底，采用滴涂法制备传感层，材料为PEDOT:PSS / 氧化石墨烯纳米片（GO-NS）/ 氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）三元纳米复合材料；搭建含环形线圈天线、矢量网络分析仪的检测系统，实现传感器谐振频率、反射系数（S11）等参数实时采集。

3.性能测试与机制分析

开展传感器灵敏度、选择性、湿度适应性测试，结合 SEM、FTIR、XRD 表征传感层形貌与化学作用，解析丙酮吸附引发的电学特性变化与谐振频率偏移机制。

图1. RFID气体传感器及传感装置示意图：(a) RFID标签及其组成部分；(b) 铜线圈环形天线；(c) RFID标签转化为RFID气体传感器；(d) 牛奶变质传感装置。

图2. UHT牛奶在10℃、20℃、37℃和45℃储存过程中总菌落数（ln CFU/ml）的变化，其中虚线表示FSSAI限值（10.29 ln CFU/ml）。

图3. 聚合物纳米复合材料在吸附标记分析物前后的FTIR分析，其中紫色、绿色和橙色曲线分别表示PEDOT:PSS的FTIR光谱、在存在UHT牛奶0小时情况下的PEDOT:PSS/GO-NS/ZnO-NPs的FTIR光谱，以及在UHT牛奶达到FSSAI保质期末时的PEDOT:PSS/GO-NS/ZnO-NPs的FTIR光谱。

研究结果

1.保质期与挥发物规律

UHT 牛奶二次保质期随温度升高显著缩短：10℃下为 136.66 h，20℃下 17.21 h，37℃下 5.39 h，45℃下仅 3.46 h；变质过程中丙酮浓度从 1.00 mg/L 稳定升至 5.5-6.0 mg/L，确定为 UHT 牛奶变质特征标志物。

2.传感器核心性能

原始 RFID 标签谐振频率 13.70 MHz，修饰传感层后为 13.75 MHz；

牛奶变质时，传感器谐振频率下降 0.10-0.185 MHz，反射系数同步变化；

检测限（LOD）1.72 ppm，灵敏度 - 14.92 kHz/ppm，对丙酮选择性优异；

相对湿度≤80% 时响应稳定，80%-90% 区间仅小幅波动，适配实际储存环境。

3.结构与作用机制

SEM 显示复合材料表面粗糙多孔，吸附挥发物后孔隙率提升；FTIR、XRD 证实 PEDOT:PSS、GO-NS、ZnO NPs 间存在 π-π 堆积、氢键、C-O-Zn 键等作用；丙酮吸附通过改变传感层电导率与介电常数，引发 LC 谐振偏移，实现定量检测。

图4. 气敏薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像（比例尺 = 10 μm）：(a) 纯PEDOT:PSS（100%）；(b) 95% PEDOT:PSS 5% 氧化石墨烯（GO）纳米片；(c) 92.5% PEDOT:PSS 5% GO 2.5% ZnO 纳米颗粒（VOC暴露前）；(d) 92.5% PEDOT:PSS 5% GO 2.5% ZnO 纳米颗粒（VOC暴露后）。