Качество продукта питания не всегда удаётся определить по цвету, запаху или твёрдости. Поэтому учёные ищут такие характеристики продукта, которые стали бы надёжными индикаторами его свежести. Ими могут быть электросопротивление, электроёмкость и индуктивность, «реагирующие» на диэлектрические свойства материала. Диэлектрическая проницаемость, характеризующая ослабление электрического поля в среде, может меняться при порче продукта за счёт изменения его влажности, выделения различных газов или образования в нём новых химических соединений.

Размещение сенсора на продуктах питания. Обратную сторону шёлковой подложки обрабатывают водяным паром (1) и частично расплавляют (2). После этого сенсор можно наклеить, например, на кожуру яблока (3), и сенсор готов к работе (4).

Основные методы производства пищевых сенсоров на шёлковой подложке. Сенсоры могут наноситься непосредственно на неё методом струйной печати (а) или напылением металла через трафарет (б).

Американские исследователи из Университета Тафтса, Бостонского университета, Университета Иллинойса и Принстонского университета разработали метод определения свежести продукта по его диэлектрической проницаемости. Они создали сенсоры на основе миниатюрных витков из золотой проволоки на шёлковой подложке, подобные тем, которые используются в RFID-метках (Radio Frequency IDentification — радиочастотная идентификация) и широко применяются в торговых сетях для защиты товара от кражи. Условно такой виток можно представить как LC-резонатор — электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивности и конденсатора. Его роль играет межвитковая ёмкость, непосредственно зависящая от диэлектрической проницаемости и, следовательно, от состояния анализируемого продукта. Когда катушку индуктивности пронизывает электромагнитная волна определённой частоты, то в контуре возникает электрический ток. Если варьировать частоту колебаний электромагнитной волны, испускаемой извне специальным прибором — анализатором, то при некотором резонансном значении частоты произойдёт резкий рост амплитуды колебаний силы тока в цепи сенсора, то есть резонанс. Возникающий в цепи сенсора ток создаёт переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует ток в аналогичном LC-резонаторе, размещённом в анализаторе (аналогично принципу действия трансформатора). Потребитель определяет, при какой частоте в сенсоре возникает резонанс. Если она не отличается от «эталонной», характерной для неиспорченного продукта, анализируемый продукт качественный. При его порче, то есть при изменении диэлектрической проницаемости, значение резонансной частоты изменяется, что и покажет анализатор.

Глубину исследования продукта можно менять от нескольких миллиметров до нескольких метров, изменяя форму LC-контура, — сенсоры с разной геометрией имеют разные резонансные частоты. Малая глубина детектирования возможна при высоких частотах, большая — при низких. Кроме того, электромагнитная волна с высокой резонансной частотой (в терагерцовом диапазоне) способна проникать, например, через упаковочный материал, что позволяет контролировать качество жидких продуктов питания.

Все элементы миниатюрного сенсора нетоксичны, поэтому его без всякого риска для здоровья наклеивают непосредственно на поверхность анализируемого продукта. Резонансный сигнал можно детектировать и дистанционно.

№4, 2012