修飾還原氧化石墨烯的味覺傳感器的制備應用

　　

　　丁思奇

　　

　　(廣東博智林機器人有限公司，廣東佛山528312)

　　

　　作者簡介∶丁思奇（1986—），女，漢族，內蒙古赤峰人，博士。研究方向∶新型傳感及感知技術、光電精密測量、生物醫學光子學。

　　

　　摘要：機器人大廚與人類大廚制備的菜肴味道的微小差異可被伏安型電子舌區分，為了進一步提高電子舌的靈敏度, 本研究致力于制備一種基于氧化還原石墨烯修飾的新型伏安型味覺傳感器，并進行不同樣品的測試。結果表明，其可以區 分不同濃度的單一溶液，并可區分由標準菜肴制備的混合溶液中的不同味道。表面修飾后的味覺傳感器的靈敏度相對于未 加修飾的味覺傳感器的靈敏度有顯著提升，能夠識別和分辨味道的差異•

　　

　　關鍵詞：味覺傳感器；電子舌；感官分析

　　

　　近年來，基于新型二維納米材料的傳感器已經廣泛應用 于各類傳感器中田。由于生活的快節奏，人們對于速食食品 的需求有所增加。多家公司研發餐廳機器人或機器人大廚， 或成立中央廚房進行菜品加工，傳統的餐飲公司也在研究各 種速食食品。而這些產品的核心是要保證質量和味道的一致 性，如何客觀化的鑒別食品的味道越來越受到人們的關注。 電子舌作為一種新興的傳感器，愈來愈受到關注。它能夠客 觀數字化的評估食品的苦味、澀味、酸味、咸味、鮮味和甜 味等基本味覺感觀指標，同時還可分析苦的回味、澀的回味 和鮮的回味(豐富度)等図。目前學術界主要在研究電子舌課 題組主要有日本九州大學的Ko-ichiro Miyamoto課題組、德 國亞琛大學的Torsten Wagner課題組、浙江大學的王平課題 組、臺灣長庚大學的楊家銘課題組。

　　

　　為了驗證電子舌鑒別機器人大廚所做菜肴的味道是否有 效，首先用商業的伏安型電子舌產品對機器人大廚的菜品和 人類大廚做的菜品的味道進行檢測。其次，本文制備了一種 用于機器人大廚的標準鑒定系統中的基于氧化還原石墨烯 修飾表面的新型伏安型味覺傳感器。并將其用于幾種單一溶 液以及一種中式菜品的味道鑒別。

　　

　　1材料與方法

　　

　　1.1材料與儀器

　　

　　釆用上海瑞為智能科技有限公司提供的SmarTongue商 業電子舌和廣東博智林機器人有限公司自制的電子舌。自制 的電子舌的包括自動伸縮探頭部分、樣品轉盤以及電化學工 作站3個部分。其中自動伸縮探頭中帶有兩個傳感器讀頭。 可以同時測試兩個樣品，提高檢測效率。讀頭的制備主要是 將還原氧化石墨烯的分散液涂敷至叉指電極的表面，進行表 面修飾以提高靈敏度。具體制備的方法已經申請專利團。具 體選用的叉指電極是TYPE20的叉指電極。

　　

　　SmarTogue電子舌的測試樣品是機器人餐廳提供的10 種不同菜品，每個樣品做6個平行對照。并用字母S加阿 拉伯數字進行命名編號。

　　

　　自制電子舌的測試樣品是單一成分溶液和多種組分溶 液。選取的單一成分溶液是氯化鈉溶液、蔗糖溶液、雞精溶 液。不同組分溶液材料項目組選取了彩椒蒜片綾魚芥蘭云耳 菜品，并根據各成分的摩爾濃度進行了等比例樣品簡化。

　　

　　1.2方法

　　

　　1.2.1電子舌的測試效果驗證

　　

　　韋伯-費希納定律表明，只有當相同刺激的差別量大于 一定比例，才能引起差別感覺，感覺量與物理量的對數值成 正比關系。一般來說，味物質的強度發生20%的變化時， 人舌可以識別其差異。因此，可將味物質20%的濃度變化 定義為一個單位，且電子舌的識別能力應小于20%。此外， 使用電子舌之前要仔細考慮的另一個因素是樣品制備。樣品 應為液體形式，且已經為液體的樣品需要過濾步驟以去除較 大的顆粒并保護傳感器［41»

　　

　　本文以混合溶液體系驗證技術方法的可靠性，具體組分 的濃度范圍依據餐廳樣品。每個樣品取相同重量加超純水， 去油后取上清液，量取相同的體積(20 mL)進行檢測。樣品 檢測前先進行傳感器預熱、清洗及參數設置。

　　

　　首先使用商業電子舌對于機器人餐廳提供的S開頭的5 組菜品樣品進行了測試。其次，使用自制電子舌對涂敷還原 氧化石墨烯的分散液的叉指電極進行了穩定性測試。再次， 對于單一成分的溶液進行了濃度測試。最后，驗證不同組分 溶液的測試效果。

　　

　　1.2.2數據處理

　　

　　電子舌的數據處理方法主要有主成分分析法(PCA)、 判別函數分析(LDA)、簇類獨立軟模式法(SIMCA)、判 別因子分析法(DFA)、偏最小二乘分析(PLS)等方法。其 中主成分分析法通過多元統計分析使用多個變量通過線性 變換轉換為線性不相關的變量，從而選出較少個數的重要變 量。散點圖中的每點代表一個樣品的一次檢測，點與點之間 的距離代表不同檢測次數之間特征差異的大小。通過綜合比 較后電在使用商業電子舌時釆用主成分分析法方法。在使 用自制電子舌對不同濃度和不同組分的溶液進行測試，釆用 了圖譜分析的方法進行數據處理。

　　

　　2結果與分析

　　

　　2.1商業電子舌的測試結果和分析

　　

　　為了驗證電子舌可用于辨別機器人制備菜肴和人類制備 菜肴的味道的不同，進行了菜品味道的雙盲檢驗。檢驗商業 電子舌能否對不同菜品的味道進行區分以及能否區分相同 菜品的平行樣品的味道區分。檢測結果如下。

　　

　　(1)S2和S3菜品的味道對比測試結果：主成分A和主 成分B的總貢獻率大于95%,基本可以代表樣品原有信息。 各個平行樣品分布的區域且互不重疊，重復性較好，說明兩 個菜品具有細微差異但可以被電子舌區分開。

　　

　　(2)S5和S6菜品的味道對比測試結果：成分A和主成 分B的總貢獻率大于95%,基本可以代表樣品原有信息。 各個平行樣品分布的區域互不重疊，重復性較好，說明兩個 菜品具有細微差異但可以被電子舌區分開。

　　

　　(3)S14和S15菜品的味道對比測試結果：主成分A和 主成分B的總貢獻率均大于95%,基本可以代表樣品原有 信息。各個平行樣品分布分布的區域雖相距較近互不重疊， 說明兩個菜品具有細微差異但可以被電子舌區分開。

　　

　　(4)S20和S21菜品的主成分A和主成分B的總貢獻 率均大于95%,基本可以代表樣品原有信息。各個樣品分 布在圖中的不同區域內，相距較近互不重疊，說明兩個菜品 具有細微差異但可以被電子舌區分開。

　　

　　(5)S23和S24菜品的主成分A和主成分B的總貢獻 率為73.77%,說明樣品的滋味之間差異較大。各個樣品分 布在圖中的不同區域內，互不重疊，重復性較好，說明S23 和S24菜品滋味可以被電子舌區分開，各自具有獨特的滋 味信息。

　　

　　通過分析得出結論：伏安型電子舌可以用于區分機器 人大廚制備的不同菜品之間的滋味。S2和S3, S23和S24 菜品之間滋味差異較大，S5和S6菜品，S14和S15菜品， S20和S21菜品之間具有細微差異但可以被電子舌區分開。

　　

　　2.2自制電子舌的測試結果和分析

　　

　　為了進一步提高電子舌的靈敏度，課題組制備了一種新 型味覺傳感器。自制電子舌的測試結果表明，相同濃度的蔗 糖與NaCl的溶液電阻差別明顯，不同濃度的雞精溶液也可 以做到明顯區分。也即自制電子舌可以對不同組分的單一溶 液進行區分。彩椒蒜片綾魚芥蘭云耳的菜品的原溶液稀釋 100倍后，制備得出模型化標準菜品的各成分摩爾濃度：氯 化鈉 513 mmol/L,谷氨酸鈉 147 nmol/L,蔗糖 175 mol/L； 自制的表面修飾有還原氧化石墨烯的電子舌能夠區分不同 組分的混合溶液的濃度和組分差異。而沒有氧化還原石墨烯 表面修飾層的電子舌不能夠區分這些樣品。

　　

　　3結論

　　

　　二維材料如還原氧化石墨烯等作為傳感器的表面修飾層 可以明顯提高傳感器的靈敏度。本研究作為機器人大廚標準 評測系統中的階段性成果，下一步的計劃是進一步的研究還 原氧化石墨烯涂層在叉指電極上的吸附度對于傳感器壽命 的影響，并將測溶液濃度與專家系統的評價結果建立對應匹 配的關系，對傳感器進行進一步的高精度標定。并將光尋址 傳感器的檢測結果與文中制備的傳感器結果進行融合，提高 檢測的靈敏度和準確度。并建立多維校準空間時，進一步將 這種不需要目標識別物的電子舌應用到機器人餐廳、類器官 等場景中叫并探索可攜帶便攜式電子舌的設計和應用 參考文獻

　　

　　[1]王平,莊柳靜，秦臻，等.仿生嗅覺和味覺傳感技術的 研究進展[J].中國科學院院刊2017,32(12):1313-1321.

　　

　　[2]劉淼.智能人工味覺分析方法在幾種食品質量檢驗中 的應用研究[D].杭州：浙江大學,2012.

　　

　　[3]朱洪武，丁思奇，都宇強.還原氧化石墨烯分散液及具 有石墨烯涂層的器件的制備方法:201910340570.8[P].2019-08-02.

　　

　　[4JR0SS C F.Considerations of the Use of the Electronic Tongue in Sensory Science[J].Current Opinion in Food Science^021,40:87-93.

　　

　　[5]史慶瑞，馬澤亮，周智，等.基于電子舌和模式識別的 中成藥品辨識方法研究[J].電子測量與儀器學報2017,31(7): 1081-1089.

　　

　　[6]NETO M gSOARES A C,OLIVEIRA JR O N,et aLMachine Learning Used to Create a Multidimensional Calibration Space for Sensing and Biosensing Data[ J] .Bulletin of the Chemical Society of Japan,2021:359.

　　

　　[7]吳謙，潘宇祥，萬浩，等.類器官芯片在生物醫學中的 研究進展[J],科學通報2019,64(9):901-909.

　　

　　[8]ETOH S,FENG L,NAKASHI K,et al.Taste sensor chip for portable taste sensor system[J].Sens Mater^008^0:151 -160.

　　

　　[9]MANKI S,DAESAN K,HWI J K,et al.A portable and multiplexed bioelectronic sensor using human olfactory and taste receptors[J] .Biosensors and Bioelectronics,2017,87:901-907.