電子鼻技術(shù)

關(guān)鍵　 張小麗

摘 要：電子鼻是一種實現(xiàn)仿生嗅覺的電子系統(tǒng)，其概念由1994年發(fā)表的關(guān)于電子鼻的綜述性文章中正式提出，目前在食品工業(yè)、煙草行業(yè)、中藥行業(yè)、醫(yī)學(xué)行業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、軍事等領(lǐng)域都開展了研究和應(yīng)用，并展現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)點。文章介紹了電子鼻的相關(guān)概念、工作原理和應(yīng)用現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：電子鼻，仿生嗅覺，氣敏傳感器

中圖分類號：N04；TP212；TP274 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-8578（2014）S1-0137-03

Introduction of Electronic Nose

GUAN Jian ZHANG Xiaoli

Abstract：Electronic nose （enose） is an electronic system of bionic olfaction. The concept of electronic nose was formally proposed in review articles published by Gardner in 1994. Electronic nose has been widely studied and applied in many areas， including food industry， tobacco industry， Chinese medicine industry， medical industry， environmental monitoring and military field， and been presented its unique characteristic nowadays. This paper introduces the concept， the working principle and applications of enose.

Keywords：electronic nose，bionic olfaction，gas sensor

收稿日期：2014-06-10

作者簡介：關(guān)鍵（1982—），女，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心審查員，從事專利審查工作。通信方式：guanjian@sipo.gov.cn。

引 言

電子鼻是一種實現(xiàn)仿生嗅覺的電子系統(tǒng)，也被稱為智能氣味傳感器、氣味指紋檢測儀、氣味掃描儀、嗅覺模擬器。它綜合了化學(xué)和計算機等多個學(xué)科中的應(yīng)用模式識別技術(shù)和氣體傳感器陣列來模擬哺乳動物的嗅覺過程，是一種電子嗅覺傳感技術(shù)。電子鼻憑借其在氣味辨別上的快速、無損、智能、客觀、準(zhǔn)確的特點，在多個領(lǐng)域中起著重要的作用，尤其在與人們息息相關(guān)的食品衛(wèi)生安全領(lǐng)域，已經(jīng)展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)越性。為了使讀者對電子鼻技術(shù)有更深入和廣泛的了解，下面筆者就電子鼻技術(shù)的相關(guān)概念和技術(shù)原理進行簡單的介紹。

一 電子鼻的起源和概念

早在1964年，就有學(xué)者利用氣體在電極上的氧化-還原反應(yīng)對人類的嗅覺過程進行了電子模擬[1]，這是關(guān)于電子鼻的最早設(shè)想。1994年，英國學(xué)者正式提出“電子鼻（electronic nose）”的概念：“電子鼻是由有選擇性的電化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R別方法組成的儀器，能識別簡單和復(fù)雜的氣味”[2]。

二 電子鼻的構(gòu)成和工作原理

典型的電子鼻主要由氣敏傳感器陣列、信號處理系統(tǒng)和模式識別系統(tǒng)三大部分組成，其工作原理在于模擬人類的嗅覺過程：人類的基因決定了人類具有相當(dāng)數(shù)量的嗅覺受體細胞，不同的嗅覺受體細胞能夠探測到相應(yīng)的氣味物質(zhì)，其獲取的信息通過嗅覺細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)饺祟惔竽X的氣味感知部分，大腦感知氣味受體信息并與對應(yīng)的氣味模式對應(yīng)，從而對氣味做出判斷。簡單地說，電子鼻的工作原理是利用傳感器陣列中不同傳感器對不同氣體的敏感度，來區(qū)別其所“嗅”到的氣體，相當(dāng)于嗅覺細胞；之后通過信號處理系統(tǒng)，將其所“嗅”到的氣體進行處理并輸出，相當(dāng)于嗅覺細胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；然后進一步通過預(yù)先的“學(xué)習(xí)和訓(xùn)練”，即模式識別來對該氣體的氣味做出判斷，相當(dāng)于人類大腦的感知系統(tǒng)。以下分別對電子鼻的三大部分進行簡單介紹。

1.氣敏傳感器陣列

氣敏傳感器陣列是電子鼻系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，是電子鼻感知氣味的基本元件，也是電子鼻與外界氣體進行溝通的媒介。電子鼻所采用的傳感器的主要類型包括：導(dǎo)電型傳感器、壓電型傳感器、電容-電荷耦合型傳感器、光纖傳感器、場效應(yīng)傳感器。

以最早應(yīng)用的導(dǎo)電型氣敏傳感器之一的金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器（metal oxide semiconductor， 簡稱MOS）為例，一般來說，傳感器陣列中傳感器的數(shù)量越多，其所能夠進行檢測的氣味越多，準(zhǔn)確度也越高。金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器是一種用金屬氧化物薄膜制成的阻抗器件，其電阻隨著氣體含量不同而變化。氣體樣品通過頂空采樣或擴散等采樣方式進入電子鼻，利用被測氣體在傳感器上的吸附作用，氣味分子在薄膜表面進行還原反應(yīng)以改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，再通過比較電流變化，針對氣體的不同種類或濃度，激發(fā)出不同強度的微弱的偏差電信號，之后電信號進入信號處理系統(tǒng)。

2.信號處理系統(tǒng)

從氣敏傳感器陣列輸出的信號在輸入到模式識別系統(tǒng)之前，需要進行信號處理，信號處理的效果與電子鼻實際檢測和識別的靈敏性息息相關(guān)。

從氣敏傳感器陣列輸出的微弱的偏差電信號通常需要經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，以及通過相關(guān)數(shù)學(xué)方法，提取有效數(shù)據(jù)、消除噪聲，從而能夠更好地區(qū)分各數(shù)據(jù)或者信號之間的差異，再以這樣的信號輸入到模式識別系統(tǒng)中，可使得電子鼻對氣味識別的準(zhǔn)確度更高。目前常用的信號處理方法包括：主成分分析法、獨立成分分析法、Sammon映射法和模擬退火法。

3.模式識別系統(tǒng)

模式識別系統(tǒng)是電子鼻的一個核心部分，其對從氣敏傳感器陣列采樣、并經(jīng)過信號處理后的氣體信號進行響應(yīng)和判斷，常用的識別方法包括兩大類：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法和數(shù)理統(tǒng)計分析算法，如偏最小二乘回歸分析法、判別因子分析法、統(tǒng)計質(zhì)量控制分析法等[3]。通過各信號數(shù)據(jù)與相應(yīng)氣味的映射關(guān)系，對待測氣體進行定性分析和判定。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法能夠提供很強的非線性映射能力，具有通過學(xué)習(xí)自動掌握隱藏在事物內(nèi)部的不易明確表達的知識和能力，該能力能夠使得電子鼻具有更強的“嗅覺”本領(lǐng)。

三 電子鼻的應(yīng)用現(xiàn)狀

電子鼻的代表性產(chǎn)品有法國Alpha MOS公司的Fox4000型電子鼻、英國Aroma Scan公司生產(chǎn)的LabStation型電子鼻。現(xiàn)有的電子鼻產(chǎn)品在食品工業(yè)、煙草行業(yè)、中藥行業(yè)、醫(yī)學(xué)行業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、海關(guān)檢查、軍事等領(lǐng)域都開展了應(yīng)用研究。在食品工業(yè)中，可以幫組識別與預(yù)測豬肉、魚肉的新鮮度、識別雞蛋是否存在裂紋、檢測水果缺陷或內(nèi)部品質(zhì)、檢測水果貨架期質(zhì)量、檢測谷物霉變情況、食品罐頭中食物品種的鑒別等，對食品衛(wèi)生安全做出了重要的貢獻。在醫(yī)學(xué)上，參與了一些疾病診斷的研究，如以色列科學(xué)家研發(fā)出的電子鼻，只要通過簡單的呼吸測試，就可以查出病人是否患了肺、乳腺、腸等方面的疾病。在海關(guān)檢查中，可以用于檢查行李中的違禁物品等。

四 結(jié) 語

電子鼻作為一種新興的高科技產(chǎn)品，其在人們的日常生活和生產(chǎn)中具有巨大的應(yīng)用潛力，在很多領(lǐng)域能夠代替人鼻來完成實際的檢測工作，尤其是在一些涉及有毒氣體，或者需要更精細區(qū)分和識別氣味成分的情況下，其優(yōu)越性更為突出。雖然目前電子鼻技術(shù)受到傳感器材料、制造工藝、信號處理、模式識別等方面的局限，但是隨著科技的不斷進步，如生物芯片、微電子技術(shù)、計算機、材料學(xué)等進一步的發(fā)展，電子鼻技術(shù)必將不斷克服其現(xiàn)有的技術(shù)局限性，在更多領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻

[1] 劉寧晶，史波林，趙鐳，等. 電子鼻檢測技術(shù)研究進展[J]. 食品科技，2012， 37（10）：248-252.

[2] 石志標(biāo)，左春怪，張學(xué)軍. 新穎的仿生檢測技術(shù)——電子鼻[J]. 測試技術(shù)學(xué)報，2004，18（1）：50-55.

[3] 辛松林，楊妍. 電子鼻的原理、應(yīng)用現(xiàn)狀及前景[J]. 四川烹飪高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2011，（1）：23-25.

[4] 潘輝. 基于氣體傳感器的仿生電子鼻設(shè)計[J]. 信息技術(shù)，2012（3）：128-132.