电子鼻技术及其在各领域的研究进展

虞梦恩+花卉

摘 要：电子鼻技术是用来鉴别气味的，主要由集成气体传感器阵列和模式识别系统构成。本文叙述了电子鼻系统的工作原理和主要组成部分。综述了电子鼻在医学、食品工业、乳品工业、茶叶等各个领域的研究近况。最后指出了电子鼻技术在实际应用过程中需要解决的问题和其未来的发展趋势。

关键词：电子鼻；气体传感器阵列；研究进展；发展趋势

在气味感官评价上，对于人类的鼻子来说，它对气味具有一定的适应性，不仅如此，它还有重复性低和主观性强等缺点。电子鼻是一种模仿动物嗅觉的电子系统，从20世纪80年代开始发展起来的。电子鼻可以对各种气体进行实时的检测分析，其优点是重复性好，响应时间短，测定范围广，还能对某些不适合用人的鼻子鉴别的气体进行检测，比如刺激性和有毒性气体等。随着电子鼻技术及其相关模式识别技术的不断发展，电子鼻技术被广泛应用于乳制品、医学、食品、茶叶等各个领域。

1. 电子鼻系统的工作原理和结构

由初级嗅觉神经元、二级神经元即嗅泡和大脑的嗅觉中枢三层结构形成整个人的嗅觉系统。其中初级嗅觉神经元由嗅觉传感器和嗅觉神经两部分组成，它不但对气味有很高的敏感性，还有高交叉灵敏度；初级嗅觉神经元将所得信息传递到二级神经元，其对信息进行初步处理并提取模式特征；大脑嗅觉中枢将已进行初步处理的信息传达到大脑的高级信息处理中心，进行分析鉴别。电子鼻的工作与动物鼻子工作原理类似[1-2]。它的工作过程可归纳为：气体传感器阵列→数据初步处理→模式识别计算→气味分析鉴别结果。一般来说，电子鼻系统由集成气体传感器阵列、信号初步处理和模式识别算法三大部分构成。这三大部分分别与人嗅觉系统的三层结构相对应。

1.1气体传感器阵列

众多单一的传感器构成一个集成气体传感器阵列，以此来感受不同气体中的各种化学组分，从而使用于测量的物理量发生变化。对于阵列上的气敏传感器有一定要求，它应该有广谱响应的特点，还应对某些特定种类的气体要有一定程度的择优响应，但是对其不要求有很高的选择性。通过利用气敏传感器阵列的重叠响应特征使对特定气体具有专一识别性，由此形成对某一刺激物可以进行表述的模式特征。

1.2模式识别算法

对电子鼻系统来说，模式识别是非常重要的一部分，它对气体进行定性或定量的分析通过一定的算法。在电子鼻系统中，偏最小二乘法（PLS）、主成分分析法（PCA）和人工神经网络法（ANN）是最为常用的三种模式识别算法。

1.2.1 PLS

偏最小二乘法是一种线性技术。该方法的特点是可以使变量共线的问题得到解决，并且可以保证分析使用的是独立变量，噪音则被消除，从而使所建立的预测模型有更好的质量。当电子鼻系统中所使用的气敏传感器选择性比较低时，组成阵列的各个传感器之间的相关性大，此时使用PLS法对检测信息进行处理会比较容易得到令人满意的结果。

1.2.2 PCA

主成分分析也称主分量分析，它同样是一种线性技术，可用于对气体进行分类。它可以对单独一组数据中的系统变化量进行提取，并对数据进行降维处理，在低维空间中显示多维空间的信息。所以，可以通过主成分分析法得到最主要的变量并使检测样本被分类。

2.应用领域

2.1 电子鼻在乳品工业的应用

在乳品工业中，对于电子鼻技术应用的深度和范围不断扩大 ，在乳制品产地的区分、乳制品中挥发性物质的检测，预测乳制品的成熟期等方面均有体现 [3]。Megan[4]等使用由14个CP传感器构成的BH-114（英国，BLOODHOUND）電子鼻来检测牛奶中的破坏细菌和酵母。

2.2 电子鼻在食品工业的应用

各种食品均具有其特殊的气味，因此，食品的好坏和新鲜度生物可以通过鼻子闻产生的嗅觉来判别。电子鼻的作用与人类的鼻子相同，所以可以利用电子鼻对食品的质量等指标进行检测。如水果、蔬菜和肉类会在储藏过程中，由于环境影响会使气味发生变化，所以可以通过电子鼻对其新鲜度进行检测。在2000年的时候，秦树基和黄林发明了一个能对酒进行分类的电子嗅觉系统。对酒精、烈性酒、葡萄酒和啤酒的识别率极其高 ，能达到 95% [5]。

2.3 电子鼻在医学中的应用

过去，医疗诊断一般的一般方法是抽提人体内的某些液体并进行化验。用这种方法对疾病进行诊断的速度很慢 。但是若用电子鼻对患者产生的气体进行检测就可以迅速诊断结果，而且该方法更加简单。有研究表明：患有某种疾病的人其呼出的气体中会含有一些特殊成分 ，如患有肝硬化的人，他所呼出的气体中会含有脂肪酸这一物质 ，三甲氨会出现在患有肾衰竭病人呼出的气体中。现在，在临床诊断上已经有通过电子鼻监测重症糖尿病患者病情发展的相关报道 [6]。

2.4电子鼻在茶叶中的应用

茶树品种的不同，栽培条件的区别，生态环境的变化、加工的方法和包装存贮的方式等都会对茶叶所散发的香气造成影响。茶叶香气是茶叶“色、香、味、形”四大品质指标之一，在茶叶感官评价中占25%-35%的权重比例[7]，且其与“滋味”又有着一定关系。茶叶的组成成分极其复杂，主要为茶多酚、咖啡碱、氨基酸和水分，这些对茶香、茶色和茶味有较大的影响。对茶叶成分测定的传统方法很多，但基本上都存在所需时间长，成本高，结果差异大，易产生污染等缺点。

3 总结

综上所述，目前，对于电子鼻技术的应用越来越广泛，其适用的领域也在不断扩大，特别是在食品产业各方面的检测占据越来越重的地位。

电子鼻的气敏传感器阵列由于采用不同类型的气体传感器或者选择性不一样的气体传感器，提高了其广谱响应特性和交叉敏感特性。但是，电子鼻系统中采用的气敏传感器阵列对环境具有很高的敏感性，比如检测环境的温度和湿度等；不仅如此，气敏传感器会与干扰性气体产生反应，导致结果的准确率降低。相信随着电子鼻技术的发展，这些问题都会得到解决。

参考文献：

[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 ，周鸣.电子鼻技术的研究进展及其在农产品加工中的应用[J].浙江大学学报农业与生命科学版，2003，29（5）：579-584.

[3] 秦树基，黄林.用于酒类识别的电子鼻研究[J].郑州轻工学院学报，2001，15（4）：17- 19.

[4] 李炳乾，米长纯，刘君华.集成智能传感器的新进展[J].半导体杂志，1999，24（2）：11- 15.

作者简介：

虞梦恩（1995.1— ）女，浙江台州人，本科，中国计量大学现代科技学院学生，研究方向：生物工程。