電子鼻技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展及在環(huán)境檢測(cè)中的應(yīng)用展望

董士霞，耿奧博

(1.山東省濟(jì)寧市兗州生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心，山東 濟(jì)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(huì)及科技日益進(jìn)步與發(fā)展使人們?cè)缫巡粷M足于僅僅依靠自身嗅覺的模糊感覺來臆測(cè)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(cè)的問題存在。人的感覺系統(tǒng)對(duì)各種氣體的敏感性不高，且沒有定量判斷能力。隨著人們對(duì)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(shí)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(jìn)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(jī)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(qiáng)度逐漸變強(qiáng)再變?nèi)?，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；信號(hào)處理系統(tǒng)，也被稱為模式識(shí)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(jìn)行特征提取，再利用軟件進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)分析。

1982年，英國(guó)研究者Persuad和Dodd使用三個(gè)SnO2氣體傳感器模擬哺乳動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)對(duì)戊基醋酸脂、乙醇、乙醚、戊酸、檸檬油、異茉莉酮等有機(jī)氣體進(jìn)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(jìn)步，其應(yīng)用范圍也不斷的擴(kuò)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(cè)，儲(chǔ)存時(shí)間的預(yù)估判斷，食品風(fēng)味的評(píng)價(jià)等。電子鼻評(píng)價(jià)食物及飲品的風(fēng)味不再需要經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人士進(jìn)行測(cè)試，不僅降低經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本，同時(shí)還保證了客觀性和準(zhǔn)確性。

魯小利等[3]在芝麻油摻偽檢測(cè)中的應(yīng)用研究中，研究并設(shè)計(jì)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(shí)別算法。該仿生電子鼻系統(tǒng)應(yīng)用于芝麻油摻偽的檢測(cè)中在預(yù)測(cè)精度、收斂速度及運(yùn)行時(shí)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(jì)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(cè)了臺(tái)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(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行主成分分析后，發(fā)現(xiàn)釀造食醋和配制食醋的落點(diǎn)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(tái)州市場(chǎng)上的釀造食醋和配制食醋。

張鵬等人[5]分別對(duì)1-甲基環(huán)丙烯不同處理時(shí)期蘋果檢測(cè)分析運(yùn)用頂空固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用和電子鼻2種技術(shù)，對(duì)貯后貨架期間1-甲基環(huán)丙烯低溫不同處理時(shí)期蘋果的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)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(shí)，隨著貯后貨架時(shí)間的延長(zhǎng)，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(duì)1-甲基環(huán)丙烯低溫不同處理時(shí)期蘋果整體氣味特征進(jìn)行判別具有可行性。

楊春蘭等[6]利用電子鼻對(duì)6個(gè)貯藏時(shí)間5個(gè)等級(jí)的黃山毛峰茶進(jìn)行檢測(cè)，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(gè)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(shí)間預(yù)測(cè)模型(PCA-BPNN) 。結(jié)果表明，該研究所建立的PCA-BPNN 預(yù)測(cè)模型可用于檢測(cè)黃山毛峰茶貯藏時(shí)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(shí)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(bǔ)使用進(jìn)行綜合檢測(cè)[8]等。MagorzataBiniecka[9]認(rèn)為調(diào)查的氣味不是一項(xiàng)容易的任務(wù),需要在定制質(zhì)量體系的背景下進(jìn)行。到目前為止，一直十分注重測(cè)定揮發(fā)性氣味的分?jǐn)?shù)，嗅覺的組合(香味)、化學(xué)物質(zhì)所產(chǎn)生的味覺。可以由分析技術(shù)如氣相色譜法(GC)結(jié)合質(zhì)譜等來實(shí)現(xiàn)。

在精細(xì)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(duì)汽油樣品分析。用主成分分析法(PCA)對(duì)樣品中的色譜峰進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并建立模型，對(duì)不同汽油標(biāo)號(hào)進(jìn)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(biāo)號(hào)判定。

胡秋芳等[11]通過嗅辨法和電子鼻技術(shù)對(duì)二甲胺溶液的氣味進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)，對(duì)2種方法的檢出限進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，二甲胺溶液在25 T下達(dá)到氣液平衡的最優(yōu)時(shí)間為40 min，在此條件下嗅辨法對(duì)二甲胺溶液氣味的識(shí)別臨界濃度為10 mg/L；Fox 4000電子鼻檢測(cè)二甲胺溶液氣味的精密度良好，對(duì)二甲胺溶液氣味的檢出限為2 mg/L，靈敏度高于嗅辨法。運(yùn)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(jìn)行氣味檢測(cè)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(duì)煙竿、煙夾、煙筐、大箱4種裝煙方式的烤后煙葉進(jìn)行化學(xué)成分分析、電子鼻無損檢測(cè)和感官評(píng)吸。結(jié)果表明，利用PCA、LDA能無損檢測(cè)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(píng)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(píng)吸結(jié)果相符合，利用電子鼻與感官評(píng)吸綜合分析可更科學(xué)評(píng)價(jià)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(píng)吸與數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，對(duì)今后的評(píng)價(jià)做出科學(xué)指導(dǎo)。

龍章德等人[13]采用感官評(píng)吸和電子鼻分析，對(duì)不同縣區(qū)、不同部位單料煙品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并采用偏最小回歸分析(PLSR)方法對(duì)二者進(jìn)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(jìn)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(jìn)行分類，且分析結(jié)果與人的感官評(píng)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(jī)接口的在體生物電子鼻研究進(jìn)展》一文中寫到，哺乳動(dòng)物具有異常高靈敏的嗅覺系統(tǒng)，能檢測(cè)到空氣中極其痕量的氣體分子，在緝毒、搜爆、反恐等社會(huì)防范方面發(fā)揮著重要的作用。利用哺乳動(dòng)物的嗅上皮作為初級(jí)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(hào)，通過對(duì)記錄到的神經(jīng)元信號(hào)進(jìn)行分析解碼，實(shí)現(xiàn)氣味檢測(cè)與識(shí)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(shí)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(cè)

A.C.Romain[15]等人，自制了空氣環(huán)境的惡臭監(jiān)測(cè)的電子鼻系統(tǒng)，試驗(yàn)證實(shí)了電子鼻系統(tǒng)對(duì)于惡臭中會(huì)發(fā)出的有機(jī)及無機(jī)物質(zhì)有檢測(cè)作用，不過需要進(jìn)一步的完善整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

方向生等人[16]在《電子鼻在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用與進(jìn)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(cè)系統(tǒng)，通常由交叉敏感的氣體傳感器陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別算法組成，可用于檢測(cè)、分析和鑒別簡(jiǎn)單或復(fù)雜氣味。作為新近發(fā)展的檢測(cè)方法，它具有通用、快速、多功能、使用簡(jiǎn)單、低成本、便攜、可自動(dòng)化和在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)。隨著在線連續(xù)在線監(jiān)測(cè)的需求越來越迫切，電子鼻也顯示了其在環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)中的應(yīng)用與進(jìn)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(bào)警性監(jiān)測(cè)等方面。

2 總結(jié)與展望

電子鼻實(shí)現(xiàn)了氣味的客觀化表達(dá)，使氣味成為可以量化的指標(biāo)，并不代表電子鼻就能取代傳統(tǒng)的含量測(cè)定手段，這只是氣味可以用于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)，進(jìn)而完善現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。電子鼻的出現(xiàn)正好契合了對(duì)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(jì)算機(jī)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。總而言之，電子鼻技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例足以使我們對(duì)于在環(huán)境保護(hù)和監(jiān)控等相關(guān)領(lǐng)域中的使用提供了足夠的信心。