虞夢(mèng)恩+花卉

摘 要：電子鼻技術(shù)是用來(lái)鑒別氣味的，主要由集成氣體傳感器陣列和模式識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成。本文敘述了電子鼻系統(tǒng)的工作原理和主要組成部分。綜述了電子鼻在醫(yī)學(xué)、食品工業(yè)、乳品工業(yè)、茶葉等各個(gè)領(lǐng)域的研究近況。最后指出了電子鼻技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要解決的問(wèn)題和其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：電子鼻；氣體傳感器陣列；研究進(jìn)展；發(fā)展趨勢(shì)

在氣味感官評(píng)價(jià)上，對(duì)于人類的鼻子來(lái)說(shuō)，它對(duì)氣味具有一定的適應(yīng)性，不僅如此，它還有重復(fù)性低和主觀性強(qiáng)等缺點(diǎn)。電子鼻是一種模仿動(dòng)物嗅覺(jué)的電子系統(tǒng)，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的。電子鼻可以對(duì)各種氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)分析，其優(yōu)點(diǎn)是重復(fù)性好，響應(yīng)時(shí)間短，測(cè)定范圍廣，還能對(duì)某些不適合用人的鼻子鑒別的氣體進(jìn)行檢測(cè)，比如刺激性和有毒性氣體等。隨著電子鼻技術(shù)及其相關(guān)模式識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展，電子鼻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于乳制品、醫(yī)學(xué)、食品、茶葉等各個(gè)領(lǐng)域。

1. 電子鼻系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)

由初級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元、二級(jí)神經(jīng)元即嗅泡和大腦的嗅覺(jué)中樞三層結(jié)構(gòu)形成整個(gè)人的嗅覺(jué)系統(tǒng)。其中初級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元由嗅覺(jué)傳感器和嗅覺(jué)神經(jīng)兩部分組成，它不但對(duì)氣味有很高的敏感性，還有高交叉靈敏度；初級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元將所得信息傳遞到二級(jí)神經(jīng)元，其對(duì)信息進(jìn)行初步處理并提取模式特征；大腦嗅覺(jué)中樞將已進(jìn)行初步處理的信息傳達(dá)到大腦的高級(jí)信息處理中心，進(jìn)行分析鑒別。電子鼻的工作與動(dòng)物鼻子工作原理類似[1-2]。它的工作過(guò)程可歸納為：氣體傳感器陣列→數(shù)據(jù)初步處理→模式識(shí)別計(jì)算→氣味分析鑒別結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，電子鼻系統(tǒng)由集成氣體傳感器陣列、信號(hào)初步處理和模式識(shí)別算法三大部分構(gòu)成。這三大部分分別與人嗅覺(jué)系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。

1.1氣體傳感器陣列

眾多單一的傳感器構(gòu)成一個(gè)集成氣體傳感器陣列，以此來(lái)感受不同氣體中的各種化學(xué)組分，從而使用于測(cè)量的物理量發(fā)生變化。對(duì)于陣列上的氣敏傳感器有一定要求，它應(yīng)該有廣譜響應(yīng)的特點(diǎn)，還應(yīng)對(duì)某些特定種類的氣體要有一定程度的擇優(yōu)響應(yīng)，但是對(duì)其不要求有很高的選擇性。通過(guò)利用氣敏傳感器陣列的重疊響應(yīng)特征使對(duì)特定氣體具有專一識(shí)別性，由此形成對(duì)某一刺激物可以進(jìn)行表述的模式特征。

1.2模式識(shí)別算法

對(duì)電子鼻系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，模式識(shí)別是非常重要的一部分，它對(duì)氣體進(jìn)行定性或定量的分析通過(guò)一定的算法。在電子鼻系統(tǒng)中，偏最小二乘法（PLS）、主成分分析法（PCA）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（ANN）是最為常用的三種模式識(shí)別算法。

1.2.1 PLS

偏最小二乘法是一種線性技術(shù)。該方法的特點(diǎn)是可以使變量共線的問(wèn)題得到解決，并且可以保證分析使用的是獨(dú)立變量，噪音則被消除，從而使所建立的預(yù)測(cè)模型有更好的質(zhì)量。當(dāng)電子鼻系統(tǒng)中所使用的氣敏傳感器選擇性比較低時(shí)，組成陣列的各個(gè)傳感器之間的相關(guān)性大，此時(shí)使用PLS法對(duì)檢測(cè)信息進(jìn)行處理會(huì)比較容易得到令人滿意的結(jié)果。

1.2.2 PCA

主成分分析也稱主分量分析，它同樣是一種線性技術(shù)，可用于對(duì)氣體進(jìn)行分類。它可以對(duì)單獨(dú)一組數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)變化量進(jìn)行提取，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，在低維空間中顯示多維空間的信息。所以，可以通過(guò)主成分分析法得到最主要的變量并使檢測(cè)樣本被分類。

2.應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 電子鼻在乳品工業(yè)的應(yīng)用

在乳品工業(yè)中，對(duì)于電子鼻技術(shù)應(yīng)用的深度和范圍不斷擴(kuò)大 ，在乳制品產(chǎn)地的區(qū)分、乳制品中揮發(fā)性物質(zhì)的檢測(cè)，預(yù)測(cè)乳制品的成熟期等方面均有體現(xiàn) [3]。Megan[4]等使用由14個(gè)CP傳感器構(gòu)成的BH-114（英國(guó)，BLOODHOUND）電子鼻來(lái)檢測(cè)牛奶中的破壞細(xì)菌和酵母。

2.2 電子鼻在食品工業(yè)的應(yīng)用

各種食品均具有其特殊的氣味，因此，食品的好壞和新鮮度生物可以通過(guò)鼻子聞產(chǎn)生的嗅覺(jué)來(lái)判別。電子鼻的作用與人類的鼻子相同，所以可以利用電子鼻對(duì)食品的質(zhì)量等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。如水果、蔬菜和肉類會(huì)在儲(chǔ)藏過(guò)程中，由于環(huán)境影響會(huì)使氣味發(fā)生變化，所以可以通過(guò)電子鼻對(duì)其新鮮度進(jìn)行檢測(cè)。在2000年的時(shí)候，秦樹基和黃林發(fā)明了一個(gè)能對(duì)酒進(jìn)行分類的電子嗅覺(jué)系統(tǒng)。對(duì)酒精、烈性酒、葡萄酒和啤酒的識(shí)別率極其高 ，能達(dá)到 95% [5]。

2.3 電子鼻在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

過(guò)去，醫(yī)療診斷一般的一般方法是抽提人體內(nèi)的某些液體并進(jìn)行化驗(yàn)。用這種方法對(duì)疾病進(jìn)行診斷的速度很慢 。但是若用電子鼻對(duì)患者產(chǎn)生的氣體進(jìn)行檢測(cè)就可以迅速診斷結(jié)果，而且該方法更加簡(jiǎn)單。有研究表明：患有某種疾病的人其呼出的氣體中會(huì)含有一些特殊成分 ，如患有肝硬化的人，他所呼出的氣體中會(huì)含有脂肪酸這一物質(zhì) ，三甲氨會(huì)出現(xiàn)在患有腎衰竭病人呼出的氣體中。現(xiàn)在，在臨床診斷上已經(jīng)有通過(guò)電子鼻監(jiān)測(cè)重癥糖尿病患者病情發(fā)展的相關(guān)報(bào)道 [6]。

2.4電子鼻在茶葉中的應(yīng)用

茶樹品種的不同，栽培條件的區(qū)別，生態(tài)環(huán)境的變化、加工的方法和包裝存貯的方式等都會(huì)對(duì)茶葉所散發(fā)的香氣造成影響。茶葉香氣是茶葉“色、香、味、形”四大品質(zhì)指標(biāo)之一，在茶葉感官評(píng)價(jià)中占25%-35%的權(quán)重比例[7]，且其與“滋味”又有著一定關(guān)系。茶葉的組成成分極其復(fù)雜，主要為茶多酚、咖啡堿、氨基酸和水分，這些對(duì)茶香、茶色和茶味有較大的影響。對(duì)茶葉成分測(cè)定的傳統(tǒng)方法很多，但基本上都存在所需時(shí)間長(zhǎng)，成本高，結(jié)果差異大，易產(chǎn)生污染等缺點(diǎn)。

3 總結(jié)

綜上所述，目前，對(duì)于電子鼻技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其適用的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，特別是在食品產(chǎn)業(yè)各方面的檢測(cè)占據(jù)越來(lái)越重的地位。

電子鼻的氣敏傳感器陣列由于采用不同類型的氣體傳感器或者選擇性不一樣的氣體傳感器，提高了其廣譜響應(yīng)特性和交叉敏感特性。但是，電子鼻系統(tǒng)中采用的氣敏傳感器陣列對(duì)環(huán)境具有很高的敏感性，比如檢測(cè)環(huán)境的溫度和濕度等；不僅如此，氣敏傳感器會(huì)與干擾性氣體產(chǎn)生反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)果的準(zhǔn)確率降低。相信隨著電子鼻技術(shù)的發(fā)展，這些問(wèn)題都會(huì)得到解決。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 于勇 ，王俊 ，周鳴.電子鼻技術(shù)的研究進(jìn)展及其在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2003，29（5）：579-584.

[3] 秦樹基，黃林.用于酒類識(shí)別的電子鼻研究[J].鄭州輕工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，15（4）：17- 19.

[4] 李炳乾，米長(zhǎng)純，劉君華.集成智能傳感器的新進(jìn)展[J].半導(dǎo)體雜志，1999，24（2）：11- 15.

作者簡(jiǎn)介：

虞夢(mèng)恩（1995.1— ）女，浙江臺(tái)州人，本科，中國(guó)計(jì)量大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院學(xué)生，研究方向：生物工程。