楊雪欣，樊浩然

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)旅游烹飪學(xué)院，黑龍江哈爾濱150076）

隨著時代的發(fā)展，科技的自動化逐漸成為社會主流。自動化監(jiān)測是工業(yè)發(fā)展必不可少的工具，在一定程度上反映一個國家的工業(yè)化程度，其重要性毋庸置疑。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成型，以互聯(lián)網(wǎng)為載體的電子鼻在監(jiān)領(lǐng)域克服了人工監(jiān)測耗資大以及監(jiān)測治理滯后的缺點。將電子鼻與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，研發(fā)出一種智能、節(jié)能、便捷的電子鼻系統(tǒng)，使電子鼻的應(yīng)用領(lǐng)域得到擴展。本文對提升電子鼻的應(yīng)用領(lǐng)域及性能具有重要的學(xué)術(shù)價值。目前已經(jīng)完成此儀器的初期設(shè)計方案，在以后的工作中將逐步開發(fā)出適合的硬件以及軟件系統(tǒng)。

1 電子鼻的工作原理

電子鼻工作原理：電子鼻氣味指紋儀通過模擬人類嗅覺器官對氣味分子進行感知、分析和判斷[1]，即根據(jù)氣味的整體信息對其揮發(fā)性成分做出定性或定量的判斷。電子鼻系統(tǒng)一般以氣體采集控制系統(tǒng)、化學(xué)傳感器陣列、信號處理系統(tǒng)和模式識別系統(tǒng)這四大模塊組成[2]。

氣體采集控制系統(tǒng)和化學(xué)傳感器陣列構(gòu)成電子鼻的硬件部分，軟件部分為模式識別系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)兩大模塊[3]。目前應(yīng)用較廣泛的傳感器類型有金屬氧化物、導(dǎo)電化合物和體聲波化學(xué)傳感器（quarta crystal microbalance，QCM）、表面化學(xué)聲波傳感器（surface acoustic wave，SAW）。該陣列通常由具有交叉敏感性、廣譜響應(yīng)性以及高靈敏度的多個氣體傳感器組成[4]。不同的傳感器能識別不同氣體的同時也具有不同的檢測限，而且還形成多維空間的響應(yīng)模式?；ヂ?lián)網(wǎng)加模式下的電子鼻通過監(jiān)測對象的不同，安裝特異性傳感陳列，將多個監(jiān)測結(jié)果的物理信號通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)揭慌_計算機終端，進行統(tǒng)計分析，將監(jiān)測結(jié)果與監(jiān)測要求進行對比，得出結(jié)果?；ヂ?lián)網(wǎng)模式下電子鼻的工作原理見圖1。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)模式下電子鼻工作原理Fig.1 Working principle of electronic nose in Internet mode

2 互聯(lián)網(wǎng)加模式下電子鼻的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 在食品監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著電子鼻研究的日漸深入，電子鼻能夠測量多種食品的特征氣味。根據(jù)電子鼻的傳感器和分析模式不同，以互聯(lián)網(wǎng)模式為載體的電子鼻在食品的生產(chǎn)鏈條即從原料的儲藏、加工過程到上架后的貨架期預(yù)測中進行自動化監(jiān)測。

2.1.1 在食品原料儲存檢測方面

食品貨架期的預(yù)測已經(jīng)成為食品行業(yè)重點的步驟，以互聯(lián)網(wǎng)為載體的電子鼻可以對食品庫的發(fā)霉、變質(zhì)情況進行實時監(jiān)測，通過電子鼻特異傳感器對某種原料變質(zhì)、腐敗后產(chǎn)生的相應(yīng)氣體及時作出響應(yīng)和預(yù)警。能夠?qū)ψ冑|(zhì)原料做出準確、快速判斷，第一時間發(fā)現(xiàn)變質(zhì)食品，并及時采取措施，使損失達到最小化。

在香腸的存儲監(jiān)測中顧欣哲等[5]根據(jù)Loading 分析、方差分析和Pearson 相關(guān)性分析確定了最佳傳感器，通過酸價和過氧化值的指標來觀測氧化指數(shù)，結(jié)果表明電子鼻監(jiān)控對脂肪氧化程度有顯著的區(qū)分性，可用于脂肪氧化過程的監(jiān)控。食品加工原料中的草莓很容易腐壞變質(zhì)。朱娜等[6]對接種了霉菌的草莓每隔兩天進行一次電子鼻檢測，再結(jié)合主成分分析、多元方差分析這兩種分析方法在與正常水果比對后，明顯的檢測到與正常草莓的顯著差異。利用Fisher 判別建立的回歸函數(shù)得到的判別正確率均在98%以上，也就是表明，電子鼻技術(shù)對草莓霉變后產(chǎn)生的烴類和酯類化合物很敏感，可以將電子鼻技術(shù)應(yīng)用于草莓霉變的監(jiān)控把握研究。作為食品廠原料的玉米霉變后產(chǎn)生的霉菌毒素代謝產(chǎn)物卻會在人體沉積對人體產(chǎn)生毒害作用，殷勇等[7]利用Fisher 判別分析發(fā)現(xiàn)多特征融合模式響應(yīng)信息差異顯著，因此這種模式不僅可應(yīng)用于玉米霉變的監(jiān)控，而且具有普遍性。浦宏杰等[8]用電子鼻對芒果的揮發(fā)性物質(zhì)進行成監(jiān)測，通過判別因子（discriminant factor analysis，DFA）分析，電子鼻能夠區(qū)分不同成熟期的芒果，同時也能區(qū)分變質(zhì)的芒果。結(jié)果說明在互聯(lián)網(wǎng)模式下的電子鼻設(shè)備可以通過測定芒果釋放的揮發(fā)性物質(zhì)來確定芒果的變質(zhì)情況。這些試驗都說明互聯(lián)網(wǎng)模式下的電子鼻可以很好的對食品加工原料的儲藏變質(zhì)情況進行監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)變質(zhì)產(chǎn)品，因此廠商能夠達到最小的損失。避免了人工監(jiān)測的高成本，以及滯后性這些缺點。

2.1.2 在食品加工過程中的應(yīng)用

在食品加工過程中，以互聯(lián)網(wǎng)為載體的電子鼻可以實現(xiàn)食品在烹調(diào)、發(fā)酵等過程的監(jiān)測，通過監(jiān)測加工環(huán)境中是否出現(xiàn)異常氣味，來控制食品加工過程中的制品質(zhì)量。丹麥青紋干酪的成熟的過程用電子鼻就可以完成進行實時監(jiān)控[9]。根據(jù)干酪成熟過程中每個過程產(chǎn)生的特異性氣體來對干酪的成熟情況進行自動化監(jiān)測。說明用電子鼻進行羊奶檢測是可行的互聯(lián)網(wǎng)模式下電子鼻能同時對不同批次的干酪進行自動化監(jiān)測，可以第一時間對生產(chǎn)鏈的異常采取措施。除此之外，張虹艷等[10]還采用了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和線性判別分析對羊奶加工過程中揮發(fā)性物質(zhì)的檢測，結(jié)果表明BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能區(qū)分不同品質(zhì)的羊奶?；ヂ?lián)網(wǎng)模式下電子鼻通過監(jiān)測釀造過程中不同時期產(chǎn)生的不同揮發(fā)性氣體，從而準確判斷原料的成型期，對釀造工業(yè)化有指導(dǎo)意義。

2.1.3 在食品貨架期的檢測方面

季淑娟等[11]采用電子鼻技術(shù)檢測南果梨。結(jié)果表明：電子鼻對南果梨的揮發(fā)性物質(zhì)比較靈敏，可以利用電子鼻無損檢測南果梨的揮發(fā)性物質(zhì)的變化SimonaBenedetti 等[12]用電子鼻采用主成分分析（principal component analysis，PCA）和線性判別式分析（Linear discriminant analysis，LDA）對桃子成熟期和貨架期進行分析。張鵬等[13]通過氣質(zhì)連用的方式確定出蘋果在不同貯藏時期具有特異的揮發(fā)性物質(zhì)，LDA 分析模式的監(jiān)測能夠準確的計算蘋果的貨架期。電子鼻可以通過對多種貨架食品的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，方便快捷的預(yù)測各種商品的貨架期。

2.2 在醫(yī)療中的應(yīng)用

研究表明，不同的疾病患者所呼出的氣體中有某種特定成分，例如患有肝硬化的人呼出的氣體中會出現(xiàn)脂肪酸，腎衰竭患者呼出的氣體中含有三甲氨，肝癌患者的呼出氣體中存在烷類和苯的衍生物等?；ヂ?lián)網(wǎng)模式下的電子鼻能對人體的健康情況進行實時監(jiān)測。

陳星[14]采用固相微萃取與氣相色譜聯(lián)用提取肺癌患者和未患肺癌者的特征性氣體進行比較，確定肺癌患者氣體中的標志物，通過改變電子鼻傳感器的響應(yīng)物質(zhì)，能夠?qū)Ψ伟┗颊咦龀雠袛?。由于電子鼻具有方便靈敏快捷的特點可以快速檢測出被測氣體的某些特定成分。Seesaar 等[15]實施了可穿戴式用于檢測佩戴者身體氣味的裝置利用ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)將身體嗅覺與電腦進行連接實時監(jiān)測人體腋下散發(fā)的氣味從而顯示實時健康狀態(tài)的監(jiān)測的應(yīng)用。還可以將此設(shè)備置于鞋底將監(jiān)控的氣味與健康足部氣味指紋進行對比，得到足部健康指數(shù)。臺北醫(yī)科大學(xué)設(shè)計了以聲波為基礎(chǔ)的電子鼻系統(tǒng)，結(jié)合不同分析模式，通過實時的監(jiān)測人呼出的氣體判斷人體肺部和呼吸道的感染細菌時細菌的種類。結(jié)果表明，該電子鼻系統(tǒng)對6 種病原體細菌的識別率達到98%[16]。劉伯科等[17]通過實時檢測人體呼出的氣體中微生物對含硫氨基酸的代謝產(chǎn)物就能夠判斷人體是否存在疾病征兆。可佩戴式電子鼻對多人體呼出氣體的監(jiān)測結(jié)果通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)胶粑\斷網(wǎng)絡(luò)平臺進行分析根據(jù)健康檢測限對人的健康狀況進行評價，準確快速的檢測出人體的健康情況，第一時間發(fā)現(xiàn)疾病，具有無創(chuàng)、快速、高效、便捷等優(yōu)點。在醫(yī)療領(lǐng)域互聯(lián)網(wǎng)模式下的電子鼻展現(xiàn)出一種新型具有吸引力的監(jiān)測人體健康的方法。電子鼻在該領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間和前景，并逐步從實驗室邁向人類的生活中。

2.3 在環(huán)境檢監(jiān)測方面

環(huán)境電子鼻是一種模仿人的嗅覺功能的智能仿生電子儀器，通過傳感器將被檢氣體轉(zhuǎn)化為一定的電信號或物理信號，并利用多元統(tǒng)計方法對這些信號進行處理以達到對被檢揮發(fā)性氣體分析、檢測和識別的目的。互聯(lián)網(wǎng)模式下電子鼻系統(tǒng)能夠?qū)ι罾鴪?、工廠排放的有害氣體進行實時監(jiān)測。

蘇愛華等[18]用法國阿默思惡臭電子鼻對小區(qū)垃圾箱進行監(jiān)測。通過電子鼻對敏感點臭氣濃度的響應(yīng)值，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊、惡臭在線監(jiān)測預(yù)警平臺，形成對多個垃圾箱實現(xiàn)惡臭實時在線監(jiān)測、響應(yīng)聯(lián)動以及措施跟進等。當(dāng)氣味到達某一程度時計算機對相應(yīng)編號的垃圾箱做出預(yù)警并進入應(yīng)急聯(lián)動狀態(tài)，通知對應(yīng)的環(huán)境負責(zé)人員對該垃圾箱進行清潔。從而能夠快速解決小區(qū)垃圾箱異味問題。

另外，電子鼻技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合[19]可以被運用于工廠的排風(fēng)系統(tǒng)，工廠每天都會產(chǎn)生不同的廢氣，某些工廠廢氣嚴重超出國家標準。國家可以通過互聯(lián)網(wǎng)加電子鼻模式對國內(nèi)的工廠排風(fēng)氣體進行實時監(jiān)測，將監(jiān)測值通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到各地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測點，通過對超標物質(zhì)的種類及含量進行分析，第一時間對有害氣體做出應(yīng)對。

3 討論和展望

電子鼻作為一種具有快速、多功能、使用簡單、低成本、便攜等優(yōu)點的儀器，再以互聯(lián)網(wǎng)作為信息傳輸渠道能夠自動化在線監(jiān)測?，F(xiàn)有的研究報道也表明了電子鼻在實時監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?。同時，也必須認識到電子鼻技術(shù)由于其本身的特性，只能用于某些特殊領(lǐng)域的的監(jiān)測。其次，電子鼻的模式識別需要通過大量的試驗數(shù)據(jù)及監(jiān)測才能夠應(yīng)用相對穩(wěn)定，在某些領(lǐng)域的推廣上有些困難。最后，受傳感器材料和工藝的影響，電子鼻的分析精度和重復(fù)性與精密分析儀器相比還有欠缺。作為一種新型監(jiān)測技術(shù)，電子鼻與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的模式在日趨自動化的時代中，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩鄶U大。

綜上所述，電子鼻結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)在實時監(jiān)測中的應(yīng)用可定位在食品的加工鏈，醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)測等方面。目前國內(nèi)對電子鼻結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)進行實時監(jiān)測中的應(yīng)用研究很少，隨著自動化監(jiān)測的需求越來越大，電子鼻可發(fā)揮很大的作用，此類儀器和檢測方法的研究力度還應(yīng)加大。