電子鼻技術及其在各領域的研究進展

虞夢恩+花卉

摘 要：電子鼻技術是用來鑒別氣味的，主要由集成氣體傳感器陣列和模式識別系統構成。本文敘述了電子鼻系統的工作原理和主要組成部分。綜述了電子鼻在醫學、食品工業、乳品工業、茶葉等各個領域的研究近況。最后指出了電子鼻技術在實際應用過程中需要解決的問題和其未來的發展趨勢。

關鍵詞：電子鼻；氣體傳感器陣列；研究進展；發展趨勢

在氣味感官評價上，對于人類的鼻子來說，它對氣味具有一定的適應性，不僅如此，它還有重復性低和主觀性強等缺點。電子鼻是一種模仿動物嗅覺的電子系統，從20世紀80年代開始發展起來的。電子鼻可以對各種氣體進行實時的檢測分析，其優點是重復性好，響應時間短，測定范圍廣，還能對某些不適合用人的鼻子鑒別的氣體進行檢測，比如刺激性和有毒性氣體等。隨著電子鼻技術及其相關模式識別技術的不斷發展，電子鼻技術被廣泛應用于乳制品、醫學、食品、茶葉等各個領域。

1. 電子鼻系統的工作原理和結構

由初級嗅覺神經元、二級神經元即嗅泡和大腦的嗅覺中樞三層結構形成整個人的嗅覺系統。其中初級嗅覺神經元由嗅覺傳感器和嗅覺神經兩部分組成，它不但對氣味有很高的敏感性，還有高交叉靈敏度；初級嗅覺神經元將所得信息傳遞到二級神經元，其對信息進行初步處理并提取模式特征；大腦嗅覺中樞將已進行初步處理的信息傳達到大腦的高級信息處理中心，進行分析鑒別。電子鼻的工作與動物鼻子工作原理類似[1-2]。它的工作過程可歸納為：氣體傳感器陣列→數據初步處理→模式識別計算→氣味分析鑒別結果。一般來說，電子鼻系統由集成氣體傳感器陣列、信號初步處理和模式識別算法三大部分構成。這三大部分分別與人嗅覺系統的三層結構相對應。

1.1氣體傳感器陣列

眾多單一的傳感器構成一個集成氣體傳感器陣列，以此來感受不同氣體中的各種化學組分，從而使用于測量的物理量發生變化。對于陣列上的氣敏傳感器有一定要求，它應該有廣譜響應的特點，還應對某些特定種類的氣體要有一定程度的擇優響應，但是對其不要求有很高的選擇性。通過利用氣敏傳感器陣列的重疊響應特征使對特定氣體具有專一識別性，由此形成對某一刺激物可以進行表述的模式特征。

1.2模式識別算法

對電子鼻系統來說，模式識別是非常重要的一部分，它對氣體進行定性或定量的分析通過一定的算法。在電子鼻系統中，偏最小二乘法（PLS）、主成分分析法（PCA）和人工神經網絡法（ANN）是最為常用的三種模式識別算法。

1.2.1 PLS

偏最小二乘法是一種線性技術。該方法的特點是可以使變量共線的問題得到解決，并且可以保證分析使用的是獨立變量，噪音則被消除，從而使所建立的預測模型有更好的質量。當電子鼻系統中所使用的氣敏傳感器選擇性比較低時，組成陣列的各個傳感器之間的相關性大，此時使用PLS法對檢測信息進行處理會比較容易得到令人滿意的結果。

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，可用于對氣體進行分類。它可以對單獨一組數據中的系統變化量進行提取，并對數據進行降維處理，在低維空間中顯示多維空間的信息。所以，可以通過主成分分析法得到最主要的變量并使檢測樣本被分類。

2.應用領域

2.1 電子鼻在乳品工業的應用

在乳品工業中，對于電子鼻技術應用的深度和范圍不斷擴大 ，在乳制品產地的區分、乳制品中揮發性物質的檢測，預測乳制品的成熟期等方面均有體現 [3]。Megan[4]等使用由14個CP傳感器構成的BH-114（英國，BLOODHOUND）電子鼻來檢測牛奶中的破壞細菌和酵母。

2.2 電子鼻在食品工業的應用

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鼻子聞產生的嗅覺來判別。電子鼻的作用與人類的鼻子相同，所以可以利用電子鼻對食品的質量等指標進行檢測。如水果、蔬菜和肉類會在儲藏過程中，由于環境影響會使氣味發生變化，所以可以通過電子鼻對其新鮮度進行檢測。在2000年的時候，秦樹基和黃林發明了一個能對酒進行分類的電子嗅覺系統。對酒精、烈性酒、葡萄酒和啤酒的識別率極其高 ，能達到 95% [5]。

2.3 電子鼻在醫學中的應用

過去，醫療診斷一般的一般方法是抽提人體內的某些液體并進行化驗。用這種方法對疾病進行診斷的速度很慢 。但是若用電子鼻對患者產生的氣體進行檢測就可以迅速診斷結果，而且該方法更加簡單。有研究表明：患有某種疾病的人其呼出的氣體中會含有一些特殊成分 ，如患有肝硬化的人，他所呼出的氣體中會含有脂肪酸這一物質 ，三甲氨會出現在患有腎衰竭病人呼出的氣體中?，F在，在臨床診斷上已經有通過電子鼻監測重癥糖尿病患者病情發展的相關報道 [6]。

2.4電子鼻在茶葉中的應用

茶樹品種的不同，栽培條件的區別，生態環境的變化、加工的方法和包裝存貯的方式等都會對茶葉所散發的香氣造成影響。茶葉香氣是茶葉“色、香、味、形”四大品質指標之一，在茶葉感官評價中占25%-35%的權重比例[7]，且其與“滋味”又有著一定關系。茶葉的組成成分極其復雜，主要為茶多酚、咖啡堿、氨基酸和水分，這些對茶香、茶色和茶味有較大的影響。對茶葉成分測定的傳統方法很多，但基本上都存在所需時間長，成本高，結果差異大，易產生污染等缺點。

3 總結

綜上所述，目前，對于電子鼻技術的應用越來越廣泛，其適用的領域也在不斷擴大，特別是在食品產業各方面的檢測占據越來越重的地位。

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，提高了其廣譜響應特性和交叉敏感特性。但是，電子鼻系統中采用的氣敏傳感器陣列對環境具有很高的敏感性，比如檢測環境的溫度和濕度等；不僅如此，氣敏傳感器會與干擾性氣體產生反應，導致結果的準確率降低。相信隨著電子鼻技術的發展，這些問題都會得到解決。

參考文獻：

[1] Gardner J W ， Bartlett P N. Electronic noses p rincip les and app lications. Oxford： Oxford University Press， 1999： 10 - 21.

[2] 于勇 ，王俊 ，周鳴.電子鼻技術的研究進展及其在農產品加工中的應用[J].浙江大學學報農業與生命科學版，2003，29（5）：579-584.

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

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

作者簡介：

虞夢恩（1995.1— ）女，浙江臺州人，本科，中國計量大學現代科技學院學生，研究方向：生物工程。