電子鼻技術及其在服裝領域的應用

方園 詹詩畫 鄒奉元

摘要：電子鼻作為一種由傳感器陣列和模式識別系統組成，能夠快速檢測單一或復雜氣體分子的智能設備，它的相關應用研究已在食物倉儲、醫學診斷、環境監測、農業生產、軍事工程等多個領域展開，但該技術在紡織服裝行業的應用并不廣泛。文章對電子鼻技術的發展原理、傳感器陣列、模式識別方法等作一簡述，介紹了電子鼻在織物及服裝異味檢測、氣味識別，品質評價以及人體異味監測等最新應用的研究進展，并對其未來發展趨勢進行展望。

關鍵詞：電子鼻；氣敏傳感器；服裝領域；氣味

中圖分類號：TS941

文獻標志碼：B

文章編號：1009-265X（2017）02-0076-05

Abstract：Electronic nose is an intelligent device composed of sensor array and pattern recognition system which can rapidly detect single or complicated gas molecule. Study on its relevant application has been conducted in multiple fields such as food storage， medical diagnosis， environmental monitoring， agricultural production and military engineering. However， this technology is not widely applied in textile and garment industry. This paper describes development principle， sensor array and pattern recognition method of electronic nose technology and the progress of latest application studies of electronic nose in textile and garment odor detection， odor recognition， quality evaluation and human body odor monitoring and looks far ahead into its future development trend.

Key words：electronic nose； gas sensor； clothing industry； odor

電子鼻又稱氣味指紋儀，能夠快速檢測單一或復雜的氣味分子，主要由氣敏傳感器陣列和模式識別系統組成的智能裝置[1]，在食物倉儲、醫學診斷、環境監測、農業生產、軍事工程等多個領域中的應用發揮了重要作用，但該新興仿生技術在紡織服裝行業的應用并不廣泛。現在常用的紡織服裝檢測方法主要有嗅辯評價法和儀器分析法[23]。人工嗅辯法評價主觀性極易受外界因素干擾，評審結果因評審人員的不同而有所差異，可重復性差；儀器分析方法重復性好，但樣品需經過復雜的預處理，檢測過程耗時長，耗材昂貴[4]。這兩種檢測方法都無法達到織物及服裝檢測精確、高效、簡便及低價的要求。由于傳感技術和信息技術的不斷發展，氣味指紋儀提供了一種快速且方便的氣體分析方法來實現對檢測對象的識別和品質評價[5]。依托檢測速度快，操作簡單、安全和重復性高的優點，該技術在紡織服裝領域的研究將得到不斷拓展，具有廣闊的應用前景。

1電子鼻技術的研究進展

1.1電子鼻的發展及工作原理

1982年，Persaud等[6]提出了一種利用化學傳感器組成的陣列對氣體進行分類的想法，由此揭開了電子鼻技術發展的序幕。1994年Gardner等[7]提出：電子鼻是一種由氣敏傳感器陣列和模式識別系統組成的，可以用來識別單一或者復雜氣味的裝置，之后該技術得到快速發展。1990年后世界各大廠商推出了商用電子鼻，近幾年來比較知名的電子鼻生產商有十幾家，包括英國的Neotronies system和AromaScan system、美國的Electronic Sensor Technology、德國的Airsense、法國的Alpha MOS、日本的Frgaro、我國臺灣的Smell和KeenWeen等[8]。

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[9]，即根據氣味的整體信息對其揮發性成分做出定性或定量的判斷。電子鼻系統一般以氣體采集控制系統、化學傳感器陣列、信號處理系統和模式識別系統這四大模塊組成[10]。其中氣體采集控制系統和化學傳感器陣列構成硬件部分，軟件部分為模式識別系統和信號處理系統兩大模塊。電子鼻在工作時采集控制系統的控制器對被測氣體進行采集，此過程，氣味分子流經化學傳感器；與此同時氣體被吸附于化學傳感器陣列生成吸附氣味的信號信息；傳輸入信號處理系統中對所產生信號信息進行加工和預處理；最后模式識別系統根據預處理的數據分析后得出結果。電子鼻的主要工作流程如圖1所示。

1.2氣敏傳感器及其陣列

電子鼻系統中最核心的組成部分是由對不同氣味分子敏感程度不一的多個氣敏傳感器所組成的傳感器陣列。傳感器陣列利用各個氣敏傳感器對特定氣體的敏感性不同，獲得被測氣味的整體信息。因此選擇恰當的氣敏傳感器，可以有效提高電子鼻檢測系統的整體性能[11]。目前，常用的氣敏傳感器根據材料類型可分為以下4類：a）包括金屬氧化物氣敏傳感器和有機聚合物氣敏傳感器的電導型氣敏傳感器。b）包括石英晶體微天平氣敏傳感器和表面聲波氣敏傳感器的質量敏感型氣敏傳感器[12]。c）基于消耗電流作用的金屬氧化物半導體場效應管氣敏傳感器[13]。d）基于光譜變化原理的光纖氣敏傳感器。這4類氣敏傳感器各不相同，針對不同的被測氣體，不同類型的傳感器響應的特征信號也有所不同，表1給出了所提到的氣敏傳感器的響應機理、屬性以及相應特點[14]。

1.3信號預處理方法

通過化學傳感器陣列所導入的信號信息需要進行三步：信號濾波、信息放大、特征提取。其中特征提取最為重要[15]。目前常用的特征提取方法主要有對數法、歸一法、相對法和差分法等[16]。對數法分析可補償非線性化以獲得依賴關系線性化。經過歸一化預處理之后的輸出結果在0～1，這些數據不但能夠提高接下來模式識別過程的計算精度，還可以作為人工神經網絡識別的輸入數據[17]。相對法和差分法則可有效增強傳感器的靈敏度，這兩種方法最大區別在于差分法能將化學傳感器的電阻濃度關系由非相關轉化為線性相關。

1.4模式識別技術

模式識別是對經過預處理和特征提取的數字信號的再加工。電子鼻系統中的模式識別模塊通過分析計算可得被測樣本的組成成分和濃度等信息。該技術影響到電子鼻的整體性能，是研究的重點和難點。

模式識別過程具體可以分為訓練階段和泛化階段。訓練階段使用已有的數據去訓練模型的參數，達到自我學習的目的；泛化階段用這些參數配好的模型去識別新的樣板數據，即可使用通過自我學習階段的電子鼻對被測樣品進行定量、定性分析。

針對不同的被測樣本需要在種類繁多的模式識別技術中選擇最佳的識別方法。根據各識別技術的基本思路和特征可以分為以下三大類：

a）基于統計理論的模式識別算法：主要包括主成分分析法（PCA），K鄰近法（KNN）[18]，聚類分析法（CA），線性判別分析法，偏最小二乘法等，在實驗樣品數量較大的情況下一般選用上述以統計理論為基礎的識別方法。

b）基于神經網絡的模式識別算法：人工神經網絡是一種具有代表性的非線性數據分析方法，也是模擬人類大腦神經思維的仿生算法。常用的神經網絡識別方法有反向傳播人工神經網絡（BPANN）[19]，概率神經網絡（PNN），自組織特征映射神經網絡（Kohonen網絡），學習向量量化（WQ）等。

c）基于核函數的模式識別算法：其中支持向量機（SVM）為典型代表，它是在統計理論識別算法基礎上經拓展得到的新興機器學習語言[20]。

2電子鼻在服裝領域的應用

2.1電子鼻織物氣味檢測

電子鼻以測定速度快、檢測范圍廣、樣品無需前處理等優點，越來越受到研究人員的關注[21]。近年來，國外已逐漸引入電子鼻技術于紡織品氣味的分析檢測。如Haeringer等[22]利用具有38個傳感器件的電子鼻KAMINA系統對羊毛和棉織物樣品分別進行檢測，對數據采用了PCA分析法分析，結果證明該系統檢測出了樣品織物上濃度為PPB級別氣味的物質，而且對特定氣味具有較佳的定性和定量分析能力。陳巖等[23]用電子鼻氣味指紋儀在不同時間段測定帶有芳香微膠囊的織物樣品，通過檢測織物中微膠囊釋放出的香氣，記錄各個傳感器上的響應值，對響應數據分析可得香味氣體的輪廓曲線，觀察該曲線的變化能直觀地得出香味微膠囊的緩釋效果。

一些學者使用電子鼻指紋儀對織物組織結構吸附異味的能力進行研究，York等[24]選取了組織結構不同的織物，采用不同的方法使織物吸附上實驗預期的氣味，再通過感官嗅辯法和Alpha MOS FOX 3000的電子鼻對試驗樣本分別進行檢測，利用主成分分析法處理輸出數據，與未經處理的試驗樣本作對比。結果表明，使用電子鼻比人工嗅辯更易得到吸附及帶上異味氣體的組織結構。York[25]采用電子鼻氣味指紋儀對13種織物吸附異味氣體的難易程度進行探究，并結合氣相色譜質譜聯用儀（GCMS）鑒定織物所附著的氣體物質。

以上主要是對紡織品在生產及使用過程中吸附的氣味進行檢測，并沒有涉及到OekoTex Standard 100和中國GBI8401中所提及的一些異味。這些異味主要有霉味、汽油味、魚腥味、芳香烴或香水味。二甲胺是織物帶有魚腥味的主要因素，hai等[26]通過電子鼻技術和人工嗅覺法分別對二甲胺溶液的氣味進行識別檢測，將兩種方法所得的檢出限進行比較，分析得到二甲胺溶液在25 ℃下達到氣液平衡的最優時間為40 min，檢出限達到2 mg/L；在同樣條件下人工嗅辨對二甲胺溶液氣味的識別臨界濃度只有10 mg/L，電子鼻技術進行氣味檢測靈敏度優于嗅辨法，結果更客觀精確。hai等使用Fox4000電子鼻進行主成分分析可以成功識別出三甲胺、二甲胺、甲胺溶液的氣味其氣體氣味檢出限分別為0.2、2、0.2 mg/L。王昊等[27]基于氣味指紋儀的傳感檢測技術，檢測了棉紡織品在生產加工環節所附著的異味，并對其進行了有效區分。將帶有5種不同異味的棉織物分別檢驗，根據傳感器所得檢測數據的雷達圖和曲線，表明各個傳感器對各自異味氣體中的氣味分子響應程度也各不相同，采用主成分分析法處理數據，有效區分了不同種類的異味氣體分子。

高明星[28]對帶有5種異味的棉織物整體信息的人工智能采集及評價進行研究，測試了實驗處理后吸附上異味的樣品，對數據進行主成分分析得到樣品主成分一和主成分二分別為93.599%和6.014%，其累積方差貢獻率達到99.613%遠遠大于85%，說明主成分一和主成分二所包含的信息量足夠大，能夠反映樣品的整體信息，建立主成分一和主成分二的二維判別分析圖用于實驗樣品區分。實驗結果得到主成分分析法處理數據能夠有效區分棉織物樣品中各個異味氣體組分，為快速、有效、客觀的紡織品異味檢測及評定的方法提出奠定了一定的基礎。在紡織服裝面料輔料的檢測，服裝原材料羽毛羽絨異味檢測，鴨絨、鵝絨及羊毛、羊絨的鑒別等方面，通過氣味指紋儀器有助于提高其品質檢測的準確性以及服裝異味等級評價系統的建立與完善。

2.2電子鼻技術在功能服裝監控技術的應用

以該技術在線監測速度快、靈敏度高的特點，Charmed等[29]發明了一種“嗅覺感知器”——可穿戴型電子鼻。嵌入這樣的“嗅覺感知器”可以實時監測服裝與人體之間的微環境中人體氣味，獲得的信息傳輸到所連接的電子處理器中進行數據分析。在此基礎上若檢測到有害氣體含量大于實驗所設定值時，即觸發面料組織自動吸收，達到減少揮發性有害物質對人體侵害的目的。倫敦嗅覺感知設計實驗室利用氣味指紋儀技術開發了“心理嗅覺感應器”，當感應器接受到人的體溫、心率等體質特征的信號有變化時，就會自動發出信號，將里面所含的特殊的香味分子釋放出來，這些香味分子可以通過刺激人類大腦神經以控制心情，在一定程度上達到預防和治療如抑郁等輕度精神疾病的效果。

Stella等[30]提出了一種植入在織物中的SWNTCOOH電子鼻，該電子鼻采用納米復合氣體傳感器陣列，對人體的氣味進行監測。實驗中利用植入傳感器陣列的織物制成衣服穿于人體進行測試，人體中常見的各種揮發性化合物，如氫氧化銨，吡啶，三乙胺，乙醇，甲醇和丙酮等都能被檢測到。并且，該氣體傳感器陣列還能區分不同部位所釋放的氣味。實驗證明使用這種電子鼻鑒別人體的氣味來說明健康狀況是可行的。在此基礎上，Li等[31]在可穿戴電子鼻系統的研究有新的進展，以刺繡的方式將能夠識別胺的傳感器嵌入到織物中，該織物制成帶有電子鼻的服裝不但可水洗，而且柔軟舒適，穿著過程中傳感器接收氣味并生成信號將該信號數據進行主成分分析處理對穿著人員的氣味進行區分。在后續的研究中，Seesaard等[32]實施了可穿戴式用于檢測佩戴者身體氣味的裝置。傳感單元裝置由4個基于織物的氣體傳感器組成，通過刺繡紡織制造。利用ZigBee無線網絡通信將嗅覺襯衫和電腦之間進行連接。實驗測試了8種揮發性有機氣體并驗證了傳感器的性能。基于主成分分析法，該設備能夠實時監控人體腋下散發的氣味，從而顯示了實時健康狀態監測的應用是可行的。將該傳感器陣列安裝在鞋內，制成智能嗅鞋。智能鞋中電子鼻系統由化學氣敏傳感器陣列和無線數據通信組成，可以持續監控足部的氣味，與健康的足部氣味指紋進行對比，得到足部健康指數。

隨著可穿戴技術的不斷發展，人們正試圖將電子鼻植入智能服裝系統中。倫敦藝術大學與觸控技術創新公司Peratech聯合開發了可穿戴的電子鼻產品。研發人員利用量子通道合成（QTC）傳感器，根據有機揮發性氣味分子初步檢測結果編寫出針對不同比例氣體的識別算法，并將配備的一個攜帶報警功能的氣敏傳感器和相關電子產品一同印刷至該智能服裝的面料上。該技術是能夠檢測到佩戴者特定部位釋放的氣體，監測重要疾病信號并且可以提示穿著者危險化學品的存在。在后續的研發中，經過測試和改進，這樣的電子鼻系統還可以被植入到比較大眾化的面料中，制成新一代的可穿戴智能服裝。

3結語

電子鼻作為一種模仿生物嗅覺器官的電子技術，具有檢測速度快、可在線監測、靈敏度高、無嗅覺疲勞、檢測結果客觀、樣品無需預處理、操作簡單、檢測成本低等優點。可進行樣品成分鑒定與預測，結果相比人工鑒定更為客觀可靠。在服裝領域中已初步實現在織物及服裝異味檢測、氣味識別，品質評價以及人體監測智能服裝中的應用。未來電子鼻技術的應用將得到極大地拓展。通過該技術還可得到較佳的儲藏條件，方便企業對原材料的倉儲條件進行控制。將電子鼻系統改裝應用于智能服裝中可以實時監測人體數據，推進智能監控服裝的發展。通過不同儀器不同技術的交叉融合，電子鼻配套系統將不斷完善，電子鼻與其他的電子設備例如電子舌的連用也可應用與服裝的檢測、評價。綜上所述該儀器在服裝領域還有很大的發展空間和發展前景，并且逐步從實驗室走向實用。

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（責任編輯：陳和榜）