可隨身攜帶的電子鼻

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在生活中，很多人都經歷過食物中毒。由于食用了受污染或腐壞的食物，食物中的細菌或病毒進入人體腸道后大量繁殖，導致腸道感染，患者往往會上吐下瀉，嚴重時甚至會威脅到生命。食品安全一直至關重要，而其中關鍵的一環就是保證食材的新鮮度，這就需要對食物進行準確評估。

新加坡南洋理工大學材料科學和工程學院的陳曉東教授等人，聯合中國江南大學和澳大利亞莫納什大學的科研人員，共同發明了一種人工“電子鼻”，用其來評估肉類新鮮度的準確率高達98.5%。

目前，測定肉類新鮮度采用的是揮發性鹽基氮法。肉類在長期放置過程中，由于酶和細菌的作用，蛋白質、脂肪和糖類三大有機物被分解，一系列堿性含氮有毒物質，如酪胺、組胺、尸胺等被釋放出來。揮發性鹽基氮法就是通過檢測這類物質的含量，進而反推肉類的新鮮度。這種檢測需要特定的儀器和環境，且工序復雜，效率低，準確度僅為61.7%。

為了克服這些弊端，研究人員把目光集中到了哺乳動物嗅覺系統的工作原理上。當氣體進入鼻腔后，接觸到嗅覺上皮細胞中的感受器，之后嗅覺神經將感受器激活成電信號傳給嗅球，嗅球再傳遞給大腦，最終識別氣體，并決定氣體濃度。也就是說，動物嗅覺系統的運轉由兩個部分組成：一是感受器接觸氣體形成類似于“氣味指紋”的神經信號;二是信號通過神經傳遞給大腦，對“氣味指紋”進行解讀。

電子鼻的兩個組成部分——條形碼和閱讀器，正好能模仿動物嗅覺系統。條形碼是由20種不同類型的殼聚糖、染料和醋酸纖維組成的多空納米復合材料構成。當被置于待測肉類上時，條形碼中的鹵素染料會根據氣體類型和濃度發生交叉反應，顯示出彩色條形碼，即“氣味指紋”。在不同濃度的氣體中，條形碼會出現 不同顏色或顏色范圍。

設計條形碼與肉類揮發氣體反應并不困難，難的是如何讓“中樞神經系統”閱讀器精確地解讀變色的條形碼，并給出新鮮度的結果。即該電子鼻技術的核心，是精確解讀變色條形碼信息的一套算法。

研究人員使用機器學習方法訓練條形碼閱讀器，直到系統能準確根據條形碼判斷肉類新鮮度為止。他們將條形碼粘在透明聚氯乙烯肉類包裝薄膜上，置于25℃環境中，在不打開包裝的前提下，使用智能手機拍攝條形碼圖像，最終得到4161張肉類圖像，并把它們分成兩組：一組3475張用于訓練模型，另一組686張用來測試。電子鼻經過深度卷積神經網絡算法訓練后，經測試，結果高度精準，而且整個操作僅需要一張條形碼和一部智能手機，只要拍下條形碼，使用專門開發的APP上傳接入云端分析系統，便可迅速得出結果。需要特別說明的是，條形碼基于生物相容性和環保原則而設計，是使用無毒、可降解的生物材料制成的。

理論上講，電子鼻的應用遠不止肉類檢測。比如，食用油在變質過程中會酸化，如果要評估食用油的新鮮度，只需檢測酸類物質的含量。若將使用領域再擴大，電子鼻還可以用在公共安全和危險品檢測方面。