吳 克

西南科技大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621010

電子鼻傳感技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

吳 克

西南科技大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621010

本文簡述了電子鼻技術(shù)的發(fā)展史、工作原理和主要類型，分析了電子鼻在食品、煙草、醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用，最后對(duì)電子鼻傳感技術(shù)存在的問題和發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

電子鼻；傳感器；應(yīng)用研究

在食品安全、環(huán)境質(zhì)量受到高度重視的今天，農(nóng)產(chǎn)品和環(huán)境的檢測技術(shù)被提出了更高的要求。目前，較有權(quán)威的檢測大都來源于相關(guān)檢測機(jī)構(gòu)的儀器分析及其出具的報(bào)告，但是這種方法耗時(shí)長、成本高。而另一方面，感官評(píng)價(jià)的主觀性強(qiáng)、易受外界的影響。隨著新材料、傳感器和信息技術(shù)的發(fā)展，電子鼻作為一種新興仿生檢測技術(shù)逐漸取得了較快的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)學(xué)、環(huán)境等方面的檢測。

一、電子鼻傳感技術(shù)概述

(一)組成及原理

電子鼻系統(tǒng)包括氣體采樣系統(tǒng)、氣敏傳感器陣列、信號(hào)預(yù)處理、模式識(shí)別和數(shù)據(jù)顯示五大部分組成。氣味與傳感器中的氣敏材料發(fā)生作用，由傳感器將氣體信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，信號(hào)經(jīng)過處理(如噪音消除、特征提取、信號(hào)放大等)，再通過合適的識(shí)別模式進(jìn)行分析，最后信號(hào)輸出。不同的氣體通過和敏感材料的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生其獨(dú)有的特征譜圖，可用于定性分析。在電子鼻系統(tǒng)中，最重要的部分是氣敏傳感器陣列，因?yàn)槊糠N傳感器都對(duì)部分氣體具有選擇性，所以通過不同傳感器的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種氣體的檢測。

(二)分類

基于傳感器陣列的重要地位，根據(jù)傳感器中敏感材料的不同，將氣敏傳感器分為4大類：電導(dǎo)型氣敏傳感器，包括金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器和有機(jī)聚合物膜傳感器；質(zhì)量敏感型氣敏傳感器，包括石英晶體微天平傳感器和表面聲波傳感器；光纖氣敏傳感器，利用光譜變化原理；金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)傳感器，利用電荷功耗作用。

1.金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器。金屬氧化物，如ZnO、Fe2O3等屬于N型半導(dǎo)體材料，其表面的空穴易在高溫下被CO、H2S、H2等還原性氣體還原，膜表面得到電子導(dǎo)致其電導(dǎo)率發(fā)生變化，其變化與氣體濃度有關(guān)，因此可根據(jù)敏感材料的電導(dǎo)率變化檢測出氣體濃度。研究發(fā)現(xiàn)摻雜金、鉑等貴金屬能夠降低該類氣敏傳感器的工作溫度。史波林等利用Fox4000型電子鼻和軟獨(dú)立模型分析法建立了辨別茶葉等級(jí)、樹種和產(chǎn)地的3個(gè)智能模型。

2.導(dǎo)電聚合物氣敏傳感器。通過摻雜等方法能夠使聚合物的電導(dǎo)率數(shù)值處在導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間。在吸附氣體后，導(dǎo)電聚合物的分子鏈溶脹或會(huì)發(fā)生其他某種反應(yīng)，分子鏈的電子密度改變，進(jìn)而改變其電導(dǎo)率，并且電導(dǎo)率變化與氣體種類及濃度相關(guān)。這類傳感器常用于檢測SO2、CO2等大氣氣體以及醇類、芳香烴鹵代烴等有機(jī)溶劑蒸汽，此外，導(dǎo)電聚合物氣敏傳感器還應(yīng)用于食品、包裝等方面，例如區(qū)分微生物群落、檢測肉類腐敗程度等。

3.質(zhì)量敏感型氣敏傳感器。通過測量壓電材料在交變電場作用下產(chǎn)生的聲波信號(hào)的參數(shù)變化來分析檢測物。分為體聲波器件和表面聲波器件兩種，通過分析頻率或波速等參數(shù)的變化可以得到待測物的濃度等相關(guān)信息。

4.場效應(yīng)傳感器。當(dāng)氣體作用于敏感材料表面或敏感膜時(shí)漏源電流變化，使傳感器性能發(fā)生變化，其變化量與氣體濃度有關(guān)。場效應(yīng)傳感器可以通過涂敷不同的薄膜實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的檢測。這類傳感器的性能與膜厚度、催化劑種類、工作溫度緊密相關(guān)?？捎糜贜O2、CH4、CO2以及有機(jī)氣體的檢測，但是由于種類單調(diào)等缺點(diǎn)，應(yīng)用較不廣泛。

5.光纖氣敏傳感器。其最直接的測量方法是測量特定頻率范圍內(nèi)氣體吸光度的變化，還可以用顏色做指示信息測量氣體吸光度變化，實(shí)現(xiàn)了氣體信號(hào)的可視化，還可定量檢測有毒氣體。光纖氣敏傳感器具有較高的專一性、靈敏度和較強(qiáng)的抗噪能力，是近幾年發(fā)展最快的一種傳感器[1]。

二、電子鼻傳感技術(shù)的應(yīng)用

(一)食品方面

電子鼻傳感技術(shù)在食品的原料檢測、品質(zhì)分類和評(píng)價(jià)、生產(chǎn)條件控制等方面的應(yīng)用極為廣泛，可以檢測肉、糧食、乳制品、水產(chǎn)品等的新鮮度，可以對(duì)酒類的品牌、酒齡、產(chǎn)地等進(jìn)行識(shí)別判斷，還可以對(duì)果蔬的農(nóng)藥殘留、成熟度和貯藏效果進(jìn)行分析[2]。肉類中的蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物會(huì)在儲(chǔ)存過程中分解并產(chǎn)生胺類等難聞氣體，Tian等利用這一原理，使用電子鼻檢測了豬肉的新鮮度，并以揮發(fā)性鹽基氮做為對(duì)比，結(jié)果表明電子鼻可以準(zhǔn)確地判斷豬肉的貨期，準(zhǔn)確率為91%。利用電子鼻技術(shù)結(jié)合概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和主成分分析法可以辨別不同酒齡的葡萄酒。

(二)煙草方面

煙草的品質(zhì)判定主要由經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練的專職評(píng)煙師的感官評(píng)定進(jìn)行，不僅投入大、周期長，還有一定的主觀性。因此，電子鼻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于煙草的檢測和識(shí)別。通過電子鼻中的傳感器陣列與模式識(shí)別法、主成分分析法、線性判別分析法等分析方法的結(jié)合，可以識(shí)別不同品牌、國家以及制作流程的香煙、卷煙和烤煙，較多實(shí)驗(yàn)研究證明電子鼻是區(qū)分、識(shí)別不同煙草的有效方法。

(三)醫(yī)學(xué)方面

肺癌患者呼出的氣體中含有20多種特征性的有機(jī)揮發(fā)性氣體。由于肺癌細(xì)胞的早期癌變沒有明顯形變，傳統(tǒng)的檢測手段難以發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的異變。但是癌變細(xì)胞的代謝產(chǎn)物中有特殊氣體，因此電子鼻技術(shù)可以用來初步診斷肺癌。糖尿病的并發(fā)癥之一是酮酸中毒，即患者血液中含有酮酸體。酮酸體的代謝產(chǎn)物丙酮可以隨呼吸排出體外，電子鼻正是利用這一原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)糖尿病的早期無損診斷。Mohamed等用電子鼻對(duì)尿樣的檢測結(jié)果證明電子鼻技術(shù)對(duì)糖尿病的識(shí)別率達(dá)96%。

(四)環(huán)境監(jiān)測

電子鼻在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用主要包括對(duì)室內(nèi)空氣、室外空氣質(zhì)量的監(jiān)測、污染氣體排放源的直接檢測等方面。環(huán)境監(jiān)測與人類的生活息息相關(guān)，污水處理廠、養(yǎng)殖場、垃圾站、裝修污染等在嚴(yán)重影響著人類的生存環(huán)境，對(duì)這些污染來源的檢測和監(jiān)管對(duì)保護(hù)生存環(huán)境至關(guān)重要。

三、發(fā)展與展望

電子鼻技術(shù)具有方便、快捷、檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，不需要樣品處理程序和其他化學(xué)試劑的使用，是一種綠色的檢測技術(shù)。實(shí)現(xiàn)多種氣體的同時(shí)準(zhǔn)確的檢測識(shí)別是當(dāng)前的研究目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場或移動(dòng)檢測中，制造無線電子鼻系統(tǒng)更是有著極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1]王俊.電子鼻傳感技術(shù)與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(11).

[2]方向生.電子鼻在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用與進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34(10).

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1006-0049-(2017)05-0269-01