董士霞，耿奧博

(1.山東省濟寧市兗州生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 濟寧 272100；2.南京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

社會及科技日益進步與發(fā)展使人們早已不滿足于僅僅依靠自身嗅覺的模糊感覺來臆測氣味的特征，人類嗅覺雖然方便易操作，但是存在著巨大的偏差甚至有主觀臆測的問題存在。人的感覺系統(tǒng)對各種氣體的敏感性不高，且沒有定量判斷能力。隨著人們對嗅覺理解不斷深入以及傳感器等技術(shù)的不斷發(fā)展，為了解決人們上述問題，人們研發(fā)出了能感知并判別氣體種類、濃度的智能設(shè)備--電子鼻[1]。

電子鼻，即人工嗅覺系統(tǒng)，是模仿生物嗅覺的一種電子系統(tǒng)，主要依據(jù)氣味來識別判斷物質(zhì)的類別與成分。

在電子鼻技術(shù)中，最關(guān)鍵的便是電子鼻設(shè)備，其主要構(gòu)成分三部分：頂空進樣器，將裝有樣品的頂空密封瓶上方氣體通過頂空吸入到帶有傳感器陣列的主機中；氣體傳感器陣列，帶有分析樣品氣味的氣體作用于傳感器陣列，產(chǎn)生瞬間響應(yīng)，響應(yīng)強度逐漸變強再變?nèi)?，最后達到穩(wěn)定狀態(tài)；信號處理系統(tǒng)，也被稱為模式識別系統(tǒng)，由氣體傳感器陣列所獲得的氣味信息，要經(jīng)過預(yù)處理并進行特征提取，再利用軟件進行各種統(tǒng)計分析。

1982年，英國研究者Persuad和Dodd使用三個SnO2氣體傳感器模擬哺乳動物嗅覺系統(tǒng)對戊基醋酸脂、乙醇、乙醚、戊酸、檸檬油、異茉莉酮等有機氣體進行類別分析，這是電子鼻最早應(yīng)用[1]。然而隨著電子鼻技術(shù)隨著不斷地發(fā)展進步，其應(yīng)用范圍也不斷的擴展。迄今，電子鼻已經(jīng)在食品醫(yī)療、煙草制藥、化學(xué)化工、能源環(huán)保等領(lǐng)域受到了廣泛地應(yīng)用。

1 電子鼻的應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 食品工業(yè)

目前，電子鼻在食品工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛[2]，如新鮮度的檢測，儲存時間的預(yù)估判斷，食品風味的評價等。電子鼻評價食物及飲品的風味不再需要經(jīng)驗豐富的專業(yè)人士進行測試，不僅降低經(jīng)濟成本和時間成本，同時還保證了客觀性和準確性。

魯小利等[3]在芝麻油摻偽檢測中的應(yīng)用研究中，研究并設(shè)計了一套電子鼻系統(tǒng)，并將基于生物嗅覺的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為其模式識別算法。該仿生電子鼻系統(tǒng)應(yīng)用于芝麻油摻偽的檢測中在預(yù)測精度、收斂速度及運行時間上都取得了較好的效果，可為芝麻油以及其他農(nóng)產(chǎn)品的在線動態(tài)監(jiān)測及保真提供快速、有效的方法。

類似辨別真?zhèn)瓮瑯討?yīng)用在調(diào)味劑中，比如何計龍等[4]在前期研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用電子鼻技術(shù)快速檢測了臺州地區(qū)生產(chǎn)銷售的釀造食醋與配制食醋。研究表明：以食醋中特征香味物質(zhì)為參照，對檢測結(jié)果進行主成分分析后，發(fā)現(xiàn)釀造食醋和配制食醋的落點在各自區(qū)域內(nèi)而互不干擾，說明電子鼻能很好地區(qū)分臺州市場上的釀造食醋和配制食醋。

張鵬等人[5]分別對1-甲基環(huán)丙烯不同處理時期蘋果檢測分析運用頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用和電子鼻2種技術(shù)，對貯后貨架期間1-甲基環(huán)丙烯低溫不同處理時期蘋果的揮發(fā)性物質(zhì)進行檢測分析。電子鼻其結(jié)果與氣質(zhì)聯(lián)用分析結(jié)果相一致。同時，隨著貯后貨架時間的延長，處理組間的差異越加明顯，電子鼻區(qū)分效果也越好。因此，電子鼻對1-甲基環(huán)丙烯低溫不同處理時期蘋果整體氣味特征進行判別具有可行性。

楊春蘭等[6]利用電子鼻對6個貯藏時間5個等級的黃山毛峰茶進行檢測，首先獲取反映茶葉香氣的原始特征向量，再通過主成分分析法(PCA) 提取出前5個主成分作為主特征向量，然后以主特征向量作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN) 的輸入，建立黃山毛峰茶貯藏時間預(yù)測模型(PCA-BPNN) 。結(jié)果表明，該研究所建立的PCA-BPNN 預(yù)測模型可用于檢測黃山毛峰茶貯藏時間，且與以原始特征變量作為輸入的BPNN 模型相比，性能更好。電子鼻在食品工業(yè)的應(yīng)用還有很多的實例，與此相關(guān)的論文還有很多[6]。

1.2 化工能源

電子鼻在化學(xué)化工及石油能源領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用[7]，以及電子鼻與化學(xué)方法的互補使用進行綜合檢測[8]等。MagorzataBiniecka[9]認為調(diào)查的氣味不是一項容易的任務(wù),需要在定制質(zhì)量體系的背景下進行。到目前為止，一直十分注重測定揮發(fā)性氣味的分數(shù)，嗅覺的組合(香味)、化學(xué)物質(zhì)所產(chǎn)生的味覺?？梢杂煞治黾夹g(shù)如氣相色譜法(GC)結(jié)合質(zhì)譜等來實現(xiàn)。

在精細化工領(lǐng)域，電子鼻的應(yīng)用很多。傅德鋒等[10]采用超快速氣相色譜儀電子鼻對汽油樣品分析。用主成分分析法(PCA)對樣品中的色譜峰進行數(shù)據(jù)處理并建立模型，對不同汽油標號進行歸類和判定。結(jié)果表明，利用超快速氣相色譜和電子鼻指紋分析技術(shù)，可以用于未知汽油樣本的定性和汽油標號判定。

胡秋芳等[11]通過嗅辨法和電子鼻技術(shù)對二甲胺溶液的氣味進行識別檢測，對2種方法的檢出限進行比較。試驗結(jié)果表明，二甲胺溶液在25 T下達到氣液平衡的最優(yōu)時間為40 min，在此條件下嗅辨法對二甲胺溶液氣味的識別臨界濃度為10 mg/L；Fox 4000電子鼻檢測二甲胺溶液氣味的精密度良好，對二甲胺溶液氣味的檢出限為2 mg/L，靈敏度高于嗅辨法。運用PCA分析法可成功區(qū)分二甲胺溶液的氣味，區(qū)分能力優(yōu)于嗅辨法。電子鼻技術(shù)進行氣味檢測靈敏度優(yōu)于嗅辨法，結(jié)果更客觀精確。

1.3 煙草工業(yè)

矯海楠等人[12]對煙竿、煙夾、煙筐、大箱4種裝煙方式的烤后煙葉進行化學(xué)成分分析、電子鼻無損檢測和感官評吸。結(jié)果表明，利用PCA、LDA能無損檢測并顯著區(qū)分不同裝煙方式烤后煙葉的香氣成分，煙夾烘烤與大箱烘烤差異最為顯著。感官評吸也顯示4種裝煙方式以煙夾烘烤的烤后煙葉質(zhì)量檔次最佳，掛竿、煙筐次之，大箱烘烤最差，電子鼻分析結(jié)果與感官評吸結(jié)果相符合，利用電子鼻與感官評吸綜合分析可更科學(xué)評價密集烤房不同裝煙方式烤后煙香氣質(zhì)量，并且可以建立一種感官評吸與數(shù)理統(tǒng)計相結(jié)合的方法，對今后的評價做出科學(xué)指導(dǎo)。

龍章德等人[13]采用感官評吸和電子鼻分析，對不同縣區(qū)、不同部位單料煙品質(zhì)進行評價，并采用偏最小回歸分析(PLSR)方法對二者進行相關(guān)性研究。結(jié)果表明：基于煙絲電子鼻的主成分分析(PCA)，單料煙按地域差異進行分類；基于煙氣電子鼻的PCA分析，單料煙按地域和部位差異進行分類，且分析結(jié)果與人的感官評定結(jié)果最接近，因此煙氣電子鼻分析可作為鑒別原料煙葉的客觀手段之一。

1.4 醫(yī)學(xué)醫(yī)藥

莊柳靜等[14]在《基于植入式腦機接口的在體生物電子鼻研究進展》一文中寫到，哺乳動物具有異常高靈敏的嗅覺系統(tǒng)，能檢測到空氣中極其痕量的氣體分子，在緝毒、搜爆、反恐等社會防范方面發(fā)揮著重要的作用。利用哺乳動物的嗅上皮作為初級氣味感受器，氣味信息通過嗅球和嗅皮層修飾處理后，將植入式微電極陣列包埋于嗅球或嗅皮層記錄其響應(yīng)信號，通過對記錄到的神經(jīng)元信號進行分析解碼，實現(xiàn)氣味檢測與識別。文章還介紹了在體生物電子鼻的原理、組成結(jié)構(gòu)、技術(shù)實現(xiàn)、應(yīng)用及展望等。與此相關(guān)的還有很多例子。

1.5 環(huán)境檢測

A.C.Romain[15]等人，自制了空氣環(huán)境的惡臭監(jiān)測的電子鼻系統(tǒng)，試驗證實了電子鼻系統(tǒng)對于惡臭中會發(fā)出的有機及無機物質(zhì)有檢測作用，不過需要進一步的完善整套監(jiān)測系統(tǒng)。

方向生等人[16]在《電子鼻在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用與進展》指出，電子鼻是一種模擬生物嗅覺工作原理的新形仿生檢測系統(tǒng)，通常由交叉敏感的氣體傳感器陣列和適當?shù)哪Ｊ阶R別算法組成，可用于檢測、分析和鑒別簡單或復(fù)雜氣味。作為新近發(fā)展的檢測方法，它具有通用、快速、多功能、使用簡單、低成本、便攜、可自動化和在線監(jiān)測等優(yōu)勢。隨著在線連續(xù)在線監(jiān)測的需求越來越迫切，電子鼻也顯示了其在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。文章首先介紹了電子鼻技術(shù)的概念、原理、發(fā)展歷史等信息，在此基礎(chǔ)上綜述了電子鼻技術(shù)在大氣、水、土壤和固體廢物等環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用與進展，并指出電子鼻在可定位在大樣本初篩、突發(fā)污染應(yīng)急快速篩查和污染源排放報警性監(jiān)測等方面。

2 總結(jié)與展望

電子鼻實現(xiàn)了氣味的客觀化表達，使氣味成為可以量化的指標，并不代表電子鼻就能取代傳統(tǒng)的含量測定手段，這只是氣味可以用于標準化質(zhì)量控制的前提與嘗試。在電子鼻的技術(shù)支撐之下，氣味有望成為空氣質(zhì)量控制中新的可量化指標，進而完善現(xiàn)有技術(shù)標準。電子鼻的出現(xiàn)正好契合了對于人們居住環(huán)境量化空氣質(zhì)量等研究的思路。隨著傳感器科學(xué)、計算機科學(xué)、材料科學(xué)、仿生學(xué)以及生物學(xué)的發(fā)展，電子鼻也必將向著高度集成、微型智能和專業(yè)高效的方向發(fā)展?？偠灾娮颖羌夹g(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用實例足以使我們對于在環(huán)境保護和監(jiān)控等相關(guān)領(lǐng)域中的使用提供了足夠的信心。