Food Chemistry：银增强海胆状钨氧化物微机电系统传感器在冷藏乳制品中检测李斯特菌

冷藏乳制品的安全性是全球研究的重点之一，涉及微生物污染、化学残留物以及冷链管理。乳制品富含营养，即使在冷藏条件下也容易发生微生物生长。李斯特菌被称为“冰箱杀手”，能够在低于4℃的温度下存活并生长，从而在整个生产与储存过程中带来风险。然而，当前的快速检测技术仍存在一些局限性，包括高检测限、选择性不足以及难以分析复杂食品基质。因此，不断优化李斯特菌检测方法对于确保食品安全仍然至关重要。

微生物挥发性有机化合物（MVOCs）因其在确保食品安全方面的广泛应用而备受关注。先前的研究表明，3-羟基-2-丁酮（3H2B）是李斯特菌的主要气态代谢产物，占总排放量的32.2%。3H2B水平与李斯特菌生长时间之间存在强烈线性关系，使其成为检测食品中李斯特菌的潜在生物标志物。微机电系统（MEMS）气体传感器作为集成微电子和微机械的创新微型化传感平台，在气体检测领域展示了独特的应用价值。作为这种传感器核心传感材料，金属氧化物半导体（MOS）因其高灵敏度、快速响应和成熟的制备工艺而受到广泛关注。在各种MOS气体传感材料中，钨氧化物（WO₃）因其卓越的稳定性、低成本和适合紧凑集成传感器设计而特别引人注目。然而，单一成分的WO₃材料在检测目标气体时存在固有局限性，这为同时实现高灵敏度和高选择性提出了挑战。

贵金属改性是一种有效的策略，旨在增强金属氧化物（MOS）材料的气体传感性能。银纳米粒子（NPs）凭借其出色的化学稳定性和独特的敏化特性，加速了气体分子的分解，并促进了目标气体之间的反应，从而增强了材料的气体敏感性。

本研究通过调节醋酸浓度合成了具有可控形态的WO₃纳米颗粒。基于比表面积测量和3H2B吸附性能测试，具有独特海胆状结构的WO₃被选作最佳基底材料。随后，通过油胺还原法合成了银纳米颗粒，并成功将其浸渍到材料表面。银纳米颗粒的化学敏感化作用可能有助于提高材料对3H2B的灵敏度、选择性和响应-恢复时间。利用原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）结合补充表征方法，全面分析了银纳米颗粒的表面反应动力学和化学敏感化机制，为先进复合气体传感材料的发展提供了重要的理论指导。所开发的便携式MEMS气体传感器成功应用于冷藏乳制品中3H2B的实时、非破坏性检测。本研究提出了一种检测冷藏乳制品中食源性病原体的新策略，为食品安全检测应用提供了重要前景。 

首先，三种不同的WO₃形态通过改变制备条件合成，并与商用WO₃进行了比较。为了研究合成传感材料的晶体结构，对不同醋酸浓度制备的样品以及商用WO₃进行了XRD分析。结果表明，在较低浓度下，醋酸主要调节WO₃的晶体生长方向，促进其沿特定方向的各向异性延伸，形成棒状结构。多孔结构促进了气体的扩散，而丰富的活性中心加速了表面反应。这种双重优化既提高了灵敏度，又加快了响应速度。

为了进一步提升原始海胆状WO₃气传感性能，我们通过受控的修饰过程策略性地用Ag NPs对其进行了功能化（图1a）。如图S₅所示，经过Ag修饰后，WO₃的晶体结构保持完整，如WO₃特征衍射峰位置未发生改变所证实。图1b和1c表明，WO₃-2展现出高度的均一性和分散性，以及较为粗糙的表面。高放大倍数的透射电子显微镜（TEM）图像（图1d）揭示了WO₃纳米颗粒（NPs）清晰的晶格条纹。WO₃-2样品中观察到的清晰晶格条纹表明其具有极高的结晶质量。测量到的层间距为0.36 nm，与六边形WO₃的平面相匹配。图1e中的TEM表征显示了均匀分散的方形银（Ag）NPs，统计分析显示其平均边长为11±1 nm。高分辨TEM（HRTEM）（图1f）识别出0.236 nm的特定晶格间距，这是Ag平面的特征。沉积后TEM分析（图1g）证实了Ag NPs成功附着在WO₃基质上，保持了优异的分散性，没有颗粒聚集。HRTEM（图1h）中的晶体学特征仍然解析，而选区电子衍射（SAED）（图1i）验证了Ag-WO₃复合材料的多晶性质，与HRTEM观察结果一致（Shao等人，2024）。能谱元素映射（EDS）（图1j）显示了WO、O和Ag成分的均匀空间分布，提供了Ag NPs成功融入WO₃的额外证据。

图1 (a) Ag-WO₃ 的示意图制备过程，(b) 纯 WO₃ 的 SEM 图像，(c) 纯 WO₃ 的 TEM 图像，(d) 纯 WO₃ 的高分辨透射电子显微镜 (HRTEM) 图像，(e) Ag 纳米颗粒的 TEM 图像及其粒径分布，(f) Ag 纳米颗粒的 HRTEM 图像，(g) 1.0 质量百分比 Ag-WO₃ 的 TEM 图像，(h) 1.0 质量百分比 Ag-WO₃ 的 HRTEM 图像，(i) 1.0 质量百分比 Ag-WO₃ 的扫描电子衍射 (SEAD) 图像，(j) 1.0 质量百分比 Ag-WO₃ 的扫描透射电子显微镜能量分散 X 射线光谱 (STEM-EDS) 元素映射图像。

图2a中两种材料的吸附等温线也表现出IV型特征，具有H3型磁滞回线。这证实了贵金属Ag的吸附不会损害材料的介孔结构，尽管由于Ag纳米粒子部分阻塞介孔和空腔而发生了轻微的减少。此外，图2a展示了在受控负载变化的情况下纯WO₃与Ag修饰的WO 3 的3H2B吸附性能。负载Ag后，材料对3H2B的吸附和解吸能力显着增加，吸附和解吸速率显着增强（图2d-g ）。

图2 (a) 3H2B吸附性能测试示意图，(b)氮气吸附脱附等温线，(c)纯WO₃ 和1.0 wt.% Ag -WO₃ 的BET表面积(m² /g)和孔体积(cm³ /g)，(d-g)纯WO₃, 0.5 wt.% Ag -WO₃, 1.0的3H2B吸附性能测试重量％Ag-WO₃ 、1.5重量％Ag-WO₃ 和2.0重量％Ag-WO₃ 。

如图3所示，在研究的光谱中可以证实 W、O和 Ag 元素的共存。O 1s 轨道的 XPS 谱（图 3b）在 532.2 eV、531.0 eV 和 530.5 eV 处表现出三个特征峰，分别对应于吸附氧（Oads）、缺陷氧（Odef）和晶格氧物种（Olat）。Ag NP 显着提高了表面活性氧物质（Oads 和 Odef）的密度，这些氧物质充当额外的催化中心，从而显着增强反应动力学。图3c证明了Ag的成功，显示了明确的 3d 轨道分裂峰。

图3 纯WO₃ 和1.0 wt.% Ag - WO₃ 的(a) W 4f、(b) O 1s 和(c) Ag 3d 高分辨率XPS 光谱。

鉴于半导体气体传感器对温度敏感的特性，仔细选择工作温度对于实现最佳传感响应至关重要。在不同的工作温度下测试了传感器对30 ppm 3H 2B 的响应曲线（图4a）。 Ag NP 的加入将最佳工作温度降低了30 °C，同时提高了传感性能。此外，与纯WO₃ (R a/R g = 23.9)相比，1.0重量％Ag-WO₃ (R a/R g = 92.7)复合材料表现出对3H2B的响应几乎高4倍。这表明Ag的电子敏化效应具有非常显着的影响，有效降低了化学反应的活化势垒。因此选择最佳工作温度作为所有后续气体检测实验的标准操作条件。对于实际的李斯特菌检测应用，建立细菌浓度和相应传感器响应值之间的定量关系至关重要。所有制造的气体传感器都对 1 -30 ppm 的 3 H₂B 浓度表现出优异的线性响应特性（图 4b、c）。从应用的角度来看，分析物检测的速度和重复性是气体监测系统的基本性能指标。图4d展示了各种材料在最佳工作温度下对30 ppm 3H2B的动态响应特性。

1.0 wt% Ag -WO₃ 复合材料表现出卓越的性能，响应和恢复时间 (14 s /18 s ) 比其他测试材料更快。选择性是评估传感器在复杂气体环境中区分3H2B的能力的关键性能参数，这对于实际应用至关重要。除常见的环境气体外，我们还专门选择了李斯特菌排放中存在的两种高含量挥发性有机化合物（2,3-丁二酮和苯甲醛）进行综合选择性评价。图4e显示，与 3H2B 相比，该传感器对干扰气体的响应明显较低。在混合气体环境）中的一致性能进一步验证了其较好的选择性（图4f）。

最后，对实际应用至关重要的可重复性和长期稳定性进行了系统评估。如图4g、h所示，1.0wt.%Ag-WO₃ 传感器在两个方面都表现出优异的性能，确保了长期使用期间的可靠运行以及重复测试循环后的完全恢复。由于环境湿度在气体传感效率中起着至关重要的作用，因此我们评估了 1.0 wt.% Ag -WO₃ 传感器在不同相对湿度 (RH) 水平下暴露于 20 ppm 3H2B 时的检测能力。如图4i所示，传感器在该湿度范围内保持稳定的检测性能。这些属性使其成为在应用中及时检测3H2B的非常有前途的候选者。

图4 纯 WO₃ 和不同 Ag 负载量的 WO₃ 基传感器的气敏特性：(a) 在不同工作温度下对 30 ppm 3H2B (150 -330 °C) 的响应，(b) 最佳工作温度 (1 -30 ppm) 下的动态响应，(c) 响应与 3H2B 浓度 (1 -30 ppm) 之间的关系，(d) 传感器的响应/恢复时间 (30 ppm)、(e) 50 ppm 3H2B 和 10 ppm 其他干扰气体的选择性、(f) 1.0 wt.%Ag -WO₃ 传感器对含有 10 ppm 3H2B 和 10 ppm 其他干扰气体的混合气体响应的辨别测试、(g) 纯 WO₃、1.0 wt.%Ag -WO₃ 的重现性和(h) 长期稳定性图3，(i)1.0wt.%Ag-WO₃ 传感器在不同湿度下对30 ppm 3H2B的响应。

Ag-WO₃ 传感器的气敏特性可以从根本上用表面耗尽模型来解释，其中目标气体分子与金属氧化物表面之间的相互作用改变了耗尽层（图5a）。在空气中，氧分子吸附在半导体表面并捕获自由电子，形成化学吸附氧物种（O 2 、O 等），形成电子耗尽层。当 3H2B 与传感器表面相互作用时，它们与这些氧离子发生反应，将捕获的电子释放回半导体中，此过程减少了耗尽层厚度，导致电导率增加和电阻降低（图 5b）。

图5d显示了WO₃ 和1.0％Ag-WO₃ 的固体UV-Vis漫反射光谱和相应的Tauc图。结果表明Ag NPs有效地将带隙从2.6 0eV减小到2.47 eV。进行温度依赖性研究以计算不同负载量的纯WO₃和Ag修饰的WO₃上的3H 2B 氧化反应的活化能(Eact)(图5e，f)。与纯WO₃ 相比，掺杂材料在所有样品中表现出明显较低的值，1.0％Ag- WO₃复合材料表现出最低的Eact 值（6.26 cal mol 1 ）。 Ag NPs作为活性位点，其化学敏化效应可以解离气体分子。产生的活性氧物质穿过表面扩散到WO₃基底，直接参与反应。

图5 (a) 1.0 wt.% Ag -WO₃ 传感器的 3H2B 传感机制示意图，(b) 纯 WO₃ 和 1.0 wt.% Ag - WO₃ 在空气和 3H2B 中的电子结构变化，(c) 1.0 wt.% Ag - WO₃ 在 3H2B 中的时间依赖性原位 DRIFTS 光谱，(d) 紫外-可见分光光度计DRS 和 Tauc 曲线，(e) 存在 3H2B 时 ln(t res) 线性拟合图的温度依赖性，以及 (f) 计算基于纯 WO₃ 和 1.0 wt.% Ag- WO₃ 传感器的传感器上 3H2B 反应的 Eact。

通过实时监测 李斯特菌 在脑心浸液 (BHI) 肉汤培养过程中释放的代谢生物标志物，彻底评估了 1.0% Ag -WO₃ 纳米复合传感器的实际传感能力。为了验证检测结果的可靠性，并行进行常规浊度测量来比较分析细菌生长动态（图6）。传感器响应曲线密切反映了李斯特菌的特征生长动力学，显示出最初的逐渐增加，然后随着长时间的孵育过渡到指数生长，然后最终达到稳定状态。重要的是，该传感器表现出比传统比浊分析更快的检测能力。特别值得注意的是，该传感器在10 ² CFU/mL的低细菌浓度下实现了3.6的稳健响应值，满足大多数国际食品安全标准规定的检测灵敏度要求。这些结果证实了所开发的传感器具有出色的选择性，突显了其在复杂乳制品基质中精确检测 李斯特菌 的巨大潜力。

图6 (a) 比较传统浊度法和 MEMS 传感器用于李斯特菌检测的示意图，(b -g) 1.0 wt.% Ag -WO₃ 基传感器的响应和不同浓度李斯特菌的 OD 值

综上所述，本研究成功设计了一种基于Ag-WO₃的高性能MEMS气体传感器，为冷藏乳品安全监测领域的李斯特菌提供了一种高效的检测技术。优化后的Ag NPs修饰的海胆状WO₃传感器表现出优异的食品安全检测能力，具有高灵敏度（Ra/Rg = 92.7）、低工作温度（240°C）、快速响应/恢复（14 s/18 s）和卓越的选择性。机理研究表明，AgNPs的化学敏化效应通过减小材料的带隙、增加表面吸附氧含量和降低反应活化能，显着增强了气敏反应动力学。在实际应用中，该传感器成功实现了冷藏乳制品中李斯特菌污染的准确检测。这项工作提供了一种可靠的方法来检测食源性病原体，同时实现实时、无损的食品质量检测，对食品安全保证具有重要意义。

论文来源：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2025.146967