電子鼻技術促進醫藥衛生事業發展★

王興華，王光耀，盛 良，汪 宇，Te Kian Keong，Teh Siew Hoon，Ooi Ciat Hui

（1. 南京中醫藥大學基礎醫學院，江蘇 南京 210023；2．Universiti Tunku Abdul Rahman，Malaysia）

電子鼻技術促進醫藥衛生事業發展★

王興華1，2，王光耀1△，盛 良1，汪 宇1，Te Kian Keong2，Teh Siew Hoon2，Ooi Ciat Hui2

（1. 南京中醫藥大學基礎醫學院，江蘇 南京 210023；2．Universiti Tunku Abdul Rahman，Malaysia）

電子鼻技術是一種人工嗅覺系統，在環境保護、火災監控、食品安全、藥物鑒別、疾病診斷等諸多領域中均有應用。所需耗材較少，檢測速度較快，數據誤差較小，靈敏度與精準度較高，重復性較好，樣品無破壞性，費用也相對便宜。預測電子鼻技術將促進醫藥衛生事業進步，具有廣闊的應用前景和發展潛能。

電子鼻技術；環境保護；火災監控；食品安全；藥物鑒別；疾病診斷

電子鼻技術是一種人工嗅覺系統，是模仿動物嗅覺對氣體的感應，利用氣體在電極上的吸附與反應，導致電子器件響應，實現實驗數據可視，能用圖形方式展現，適合揮發性成分的探測和識別。電子鼻由具有選擇性的電化學傳感器陣列組成，既能識別簡單氣味，也能識別復雜氣味，所需耗材較少，檢測速度較快，數據誤差較小，靈敏度與精準度較高，重復性較好，樣品無破壞性，費用也相對便宜。目前主要應用于以下領域。

1. 環境保護

環境污染影響健康，引發疾病，適時監測，非常重要。電子鼻技術可以用于污染氣體排放源的直接檢測、室外空氣質量監測、室內空氣質量監測以及污水、受污染土壤及固體廢物的頂空氣體分析。生活垃圾處理的主要方式是焚燒、填埋與堆肥，但在處理過程中會產生一定量的惡臭化合物，污染周邊環境。電子鼻能夠獲取臭氣濃度現場數值，是比較簡便的檢測方法，省去了采樣步驟，能夠直接反映惡臭污染強度的梯度變化。通過電子鼻檢測，能夠直觀地了解惡臭污染分布及其濃度梯度下降趨勢，找處主要的惡臭污染釋放點源，進行改造糾正[1]。養殖場是農村或郊區的污染源，用電子鼻技術能精確檢測，并連續監控。在制革廠、造紙廠、釀制廠、化肥廠、污水處理廠、垃圾站及填埋場等易發污染區域，也可應用。散發惡臭氣味以及蘊含有毒有害物質成分的氣體都是社會公害，影響人體健康，損壞儀器設備[2]。應用電子鼻技術監測，能精確識別。

2. 火災監控

可燃性氣體是燃氣、石油、化工、消防、冶金、賓館及采礦等行業中重點監測對象，電子鼻在此領域發揮著重要的作用。研究者使用電子鼻可以較準確地分析出可燃混合氣體中不同氣體的濃度，對甲烷、丙烷和丁烷的混合氣體進行檢測，可以有效識別三種組分，表明電子鼻技術可以應用于可燃氣體泄露報警[3]。煤礦火災是安全生產中的主要災害之一，煤塵、瓦斯爆炸的發生常常互為因果，是釀成煤礦重大惡性事故的原因。為了防范事故的發生，必須采取有效措施。電子鼻可以對礦井等環境所產生的特征氣味模式進行實時的分析檢測。易燃物氣體、溫度、濕度等達到一定比例，就處于危險階段，此時是事故的高發期。電子鼻具有很強的適應能力，能對氣體成分進行辨識分析，當氣體成分達到危險臨界值時，就會自動發布檢測報告并報警，能夠有效地降低火災事故的發生率，為煤礦井下的工作安全提供保障[4]。該方法同樣也適用于其他危險環境下的氣體分析和安全檢測。

3. 食品安全

食品生產加工過程中摻雜使假、濫用添加劑、用工業原料和病死畜禽肉生產加工食品等違法犯罪活動時有顯現，毒奶粉、瘦肉精、染色饅頭、牛肉膏等食品安全事件頻頻曝光，嚴重地損害了消費者的健康，這些都可以用電子鼻檢測監控。電子鼻能判斷谷物在儲藏過程中陳化、霉變的程度；可以區分不同飼養方式的豬肉，判斷豬肉新鮮度；也可以用于乳制品成熟期和貨架期的預測、乳中揮發性物質的分析、乳中微生物的分類、干酪種類的分類、乳制品產地的區分等；還能“嗅出”食品等級，成功區分類別與級別[5]；可以辨別油脂的酸敗程度，檢出地溝油[6]；能發現芝麻油中摻入的大豆油、玉米油、葵花籽油等[7]，鑒別摻偽成分。電子鼻還能檢測到殘存于蔬菜、水果等食物中的痕量農藥。

4. 藥物鑒別

傳統中藥的氣味鑒定依靠人體嗅覺，需要有長期經驗的積累，并存在一定的主觀性，易發生誤判或漏檢。將電子鼻技術引入中藥研究領域[8-10]，可用于不同藥材的鑒別，如草果、草豆蔻、白豆蔻、砂仁、郁金、莪術、干姜、高良姜等常用中藥材，均來源于姜科植物，其內在化學成分和外在感官氣味都具有高度的相似性，人的嗅覺不易準確分辨，尤其是經過加工的粉末劑、浸泡提取劑，已經失去其原有的外部完整形態，識別起來就更加困難。研究者用電子鼻進行氣味指紋分析。結果顯示，電子鼻能很好地區分這些藥材粉末，不再受樣品失去外在形態的干擾，克服了人體嗅覺檢測的主觀性、模糊性和經驗依賴性。可用于藥材相同而品種不同的鑒別，如蒼術來源于茅蒼術或北蒼術，市售品種混亂，甚至有用關蒼術冒充。用電子鼻檢測北蒼術、茅蒼術、關蒼術等藥材的粉末，能準確區分。對3種生長年限9批黃芪藥材氣味的響應值，發現相同生長年限黃芪樣品的氣味相似，與化學成分分析法分類結果一致，顯示電子鼻可用于黃芪不同生長年限的鑒別[11]。與傳統鑒別方法相比，電子鼻技術系統具有樣品無損、用量很少、零有機溶劑等優點。

5. 疾病診斷

人體的氣味與健康息息相關，將電子鼻技術引進醫學領域，可以促進嗅診的發展。例如，肺癌患者早期并沒有明顯的器質性病變，但病人呼出的氣體中已具有肺癌特征的揮發性有機化合物，檢測這種氣體，并進行分析，就能做出早期肺癌的診斷。利用電子鼻分析患者呼氣，對肺癌診斷的敏感性和特異性較高，且不受年齡、性別和組織學及吸煙史等因素的影響。對非小細胞肺癌患者的呼氣中的VOCs進行檢測，準確度達100%[12]。使用電子鼻技術系統對病原微生物金黃葡萄球菌、白喉桿菌的類型和生長階段進行檢測，結果對白喉桿菌的識別高達92%，對金黃葡萄球菌的識別高達100%。使用預先設計好的電子鼻技術系統，篩查社會人群，可以發現隱匿型糖尿病患者，并作出早期診斷，還具有快速、便捷、無創等優點。將電子鼻技術系統應用于檢測疾病患者的寒熱證型，發現在健康狀態下，同一個人在不同時段的氣味圖譜特征幾乎一致。而在相同時段、不同個人之間檢測到的氣味圖譜則存在顯著差異。同一個人在健康階段和患病階段檢測到的氣味圖譜存在差異，顯示電子鼻技術可以應用于疾病的診斷。同樣是外感疾病，其寒證氣味圖譜與熱證氣味圖譜也存在差異[13]。顯示電子鼻技術可以應用于疾病不同證候的鑒別診斷。

6. 評價與展望

針對移動環境的檢測需要，研究人員設計了基于GPRS的遠程檢測無線電子鼻系統，包括微處理器模塊、信號調理模塊、GPRS模塊、氣敏傳感陣列和遠程測控系統，對遠程通信性能進行測試，發現電子鼻數據發送周期在400ms以上時，系統的傳輸速率、累計丟包率和通信時延都能滿足無線電子鼻檢測的要求，檢測采摘后的芒果，得到的香氣響應特性曲線清晰、穩定，試驗組逐步回歸模型、對照組基于線性判別的支持向量機模型和試驗組模型對芒果貯藏天數都具有較好的預測效果[14]。電子鼻技術系統具有響應時間短、檢測速度快等優點，能避免人為測定時的個體差異，得到誤差小、重復性好、靈敏度高的數據。在有毒氣體、刺激性氣體的樣品測定時，更具優越性，有廣闊的應用前景，將給醫藥行業帶來一次技術革命。目前該技術還處于發展階段，研究樣本不多，評價體系欠缺，靈敏度與穩定性有待提高，模式識別方法有待改進。研制體積小、價格低的便攜式電子鼻技術系統，是未來發展的方向。

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Electronic Nose Boosts the Development of Medical and Health Undertakings

WANG Xing-hua1,2, WANG Guang-yao1△, SHENG Liang1, WANG Yu1, Te Kian Keong2, Teh Siew Hoon2, Ooi Ciat Hui2
(1. Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, Jiangsu, China; 2. Universiti Tunku Abdul Rahman, Malaysia)

Electronic nose technology is a kind of artificial olfactory system, which has been applied in many fields such as environmental protection, fire monitoring, food safety, drug identification, disease diagnosis and so on.The material is less, the detection speed, data error is small, the sensitivity and accuracy is higher, the repeatability is good, the sample is not destroyed, the cost is relatively cheap.Prediction of electronic nose technology will promote the progress of medical and health services, has broad application prospects and development potential.

Electronic nose technology; Environmental protection; Fire monitor; Food safety; Drug identification; Disease diagnosis

江蘇省科學技術廳基礎研究計劃（自然科學基金）資助項目(BK2012857)。國家中醫藥管理局重點學科，江蘇省重點學科。

Centre for Research in Traditional Chinese Medicine，UTAR.

王興華(1951-)，江蘇邳州人，醫學博士，資深教授，博士生導師，從事中醫臨床基礎研究。通訊作者：王光耀(1986-)，男，江蘇南京人，醫學碩士，講師，主治中醫師，從事中醫藥基礎理論與臨床應用研究。