電子鼻技術(shù)及其在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用

方園 詹詩畫 鄒奉元

摘要：電子鼻作為一種由傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)組成，能夠快速檢測單一或復雜氣體分子的智能設(shè)備，它的相關(guān)應(yīng)用研究已在食物倉儲、醫(yī)學診斷、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事工程等多個領(lǐng)域展開，但該技術(shù)在紡織服裝行業(yè)的應(yīng)用并不廣泛。文章對電子鼻技術(shù)的發(fā)展原理、傳感器陣列、模式識別方法等作一簡述，介紹了電子鼻在織物及服裝異味檢測、氣味識別，品質(zhì)評價以及人體異味監(jiān)測等最新應(yīng)用的研究進展，并對其未來發(fā)展趨勢進行展望。

關(guān)鍵詞：電子鼻；氣敏傳感器；服裝領(lǐng)域；氣味

中圖分類號：TS941

文獻標志碼：B

文章編號：1009-265X（2017）02-0076-05

Abstract：Electronic nose is an intelligent device composed of sensor array and pattern recognition system which can rapidly detect single or complicated gas molecule. Study on its relevant application has been conducted in multiple fields such as food storage， medical diagnosis， environmental monitoring， agricultural production and military engineering. However， this technology is not widely applied in textile and garment industry. This paper describes development principle， sensor array and pattern recognition method of electronic nose technology and the progress of latest application studies of electronic nose in textile and garment odor detection， odor recognition， quality evaluation and human body odor monitoring and looks far ahead into its future development trend.

Key words：electronic nose； gas sensor； clothing industry； odor

電子鼻又稱氣味指紋儀，能夠快速檢測單一或復雜的氣味分子，主要由氣敏傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)組成的智能裝置[1]，在食物倉儲、醫(yī)學診斷、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事工程等多個領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)揮了重要作用，但該新興仿生技術(shù)在紡織服裝行業(yè)的應(yīng)用并不廣泛?，F(xiàn)在常用的紡織服裝檢測方法主要有嗅辯評價法和儀器分析法[23]。人工嗅辯法評價主觀性極易受外界因素干擾，評審結(jié)果因評審人員的不同而有所差異，可重復性差；儀器分析方法重復性好，但樣品需經(jīng)過復雜的預處理，檢測過程耗時長，耗材昂貴[4]。這兩種檢測方法都無法達到織物及服裝檢測精確、高效、簡便及低價的要求。由于傳感技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，氣味指紋儀提供了一種快速且方便的氣體分析方法來實現(xiàn)對檢測對象的識別和品質(zhì)評價[5]。依托檢測速度快，操作簡單、安全和重復性高的優(yōu)點，該技術(shù)在紡織服裝領(lǐng)域的研究將得到不斷拓展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1電子鼻技術(shù)的研究進展

1.1電子鼻的發(fā)展及工作原理

1982年，Persaud等[6]提出了一種利用化學傳感器組成的陣列對氣體進行分類的想法，由此揭開了電子鼻技術(shù)發(fā)展的序幕。1994年Gardner等[7]提出：電子鼻是一種由氣敏傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)組成的，可以用來識別單一或者復雜氣味的裝置，之后該技術(shù)得到快速發(fā)展。1990年后世界各大廠商推出了商用電子鼻，近幾年來比較知名的電子鼻生產(chǎn)商有十幾家，包括英國的Neotronies system和AromaScan system、美國的Electronic Sensor Technology、德國的Airsense、法國的Alpha MOS、日本的Frgaro、我國臺灣的Smell和KeenWeen等[8]。

電子鼻氣味指紋儀通過模擬人類嗅覺器官對氣味分子進行感知、分析和判斷[9]，即根據(jù)氣味的整體信息對其揮發(fā)性成分做出定性或定量的判斷。電子鼻系統(tǒng)一般以氣體采集控制系統(tǒng)、化學傳感器陣列、信號處理系統(tǒng)和模式識別系統(tǒng)這四大模塊組成[10]。其中氣體采集控制系統(tǒng)和化學傳感器陣列構(gòu)成硬件部分，軟件部分為模式識別系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)兩大模塊。電子鼻在工作時采集控制系統(tǒng)的控制器對被測氣體進行采集，此過程，氣味分子流經(jīng)化學傳感器；與此同時氣體被吸附于化學傳感器陣列生成吸附氣味的信號信息；傳輸入信號處理系統(tǒng)中對所產(chǎn)生信號信息進行加工和預處理；最后模式識別系統(tǒng)根據(jù)預處理的數(shù)據(jù)分析后得出結(jié)果。電子鼻的主要工作流程如圖1所示。

1.2氣敏傳感器及其陣列

電子鼻系統(tǒng)中最核心的組成部分是由對不同氣味分子敏感程度不一的多個氣敏傳感器所組成的傳感器陣列。傳感器陣列利用各個氣敏傳感器對特定氣體的敏感性不同，獲得被測氣味的整體信息。因此選擇恰當?shù)臍饷魝鞲衅鳎梢杂行岣唠娮颖菣z測系統(tǒng)的整體性能[11]。目前，常用的氣敏傳感器根據(jù)材料類型可分為以下4類：a）包括金屬氧化物氣敏傳感器和有機聚合物氣敏傳感器的電導型氣敏傳感器。b）包括石英晶體微天平氣敏傳感器和表面聲波氣敏傳感器的質(zhì)量敏感型氣敏傳感器[12]。c）基于消耗電流作用的金屬氧化物半導體場效應(yīng)管氣敏傳感器[13]。d）基于光譜變化原理的光纖氣敏傳感器。這4類氣敏傳感器各不相同，針對不同的被測氣體，不同類型的傳感器響應(yīng)的特征信號也有所不同，表1給出了所提到的氣敏傳感器的響應(yīng)機理、屬性以及相應(yīng)特點[14]。

1.3信號預處理方法

通過化學傳感器陣列所導入的信號信息需要進行三步：信號濾波、信息放大、特征提取。其中特征提取最為重要[15]。目前常用的特征提取方法主要有對數(shù)法、歸一法、相對法和差分法等[16]。對數(shù)法分析可補償非線性化以獲得依賴關(guān)系線性化。經(jīng)過歸一化預處理之后的輸出結(jié)果在0～1，這些數(shù)據(jù)不但能夠提高接下來模式識別過程的計算精度，還可以作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別的輸入數(shù)據(jù)[17]。相對法和差分法則可有效增強傳感器的靈敏度，這兩種方法最大區(qū)別在于差分法能將化學傳感器的電阻濃度關(guān)系由非相關(guān)轉(zhuǎn)化為線性相關(guān)。

1.4模式識別技術(shù)

模式識別是對經(jīng)過預處理和特征提取的數(shù)字信號的再加工。電子鼻系統(tǒng)中的模式識別模塊通過分析計算可得被測樣本的組成成分和濃度等信息。該技術(shù)影響到電子鼻的整體性能，是研究的重點和難點。

模式識別過程具體可以分為訓練階段和泛化階段。訓練階段使用已有的數(shù)據(jù)去訓練模型的參數(shù)，達到自我學習的目的；泛化階段用這些參數(shù)配好的模型去識別新的樣板數(shù)據(jù)，即可使用通過自我學習階段的電子鼻對被測樣品進行定量、定性分析。

針對不同的被測樣本需要在種類繁多的模式識別技術(shù)中選擇最佳的識別方法。根據(jù)各識別技術(shù)的基本思路和特征可以分為以下三大類：

a）基于統(tǒng)計理論的模式識別算法：主要包括主成分分析法（PCA），K鄰近法（KNN）[18]，聚類分析法（CA），線性判別分析法，偏最小二乘法等，在實驗樣品數(shù)量較大的情況下一般選用上述以統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的識別方法。

b）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識別算法：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有代表性的非線性數(shù)據(jù)分析方法，也是模擬人類大腦神經(jīng)思維的仿生算法。常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別方法有反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BPANN）[19]，概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PNN），自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Kohonen網(wǎng)絡(luò)），學習向量量化（WQ）等。

c）基于核函數(shù)的模式識別算法：其中支持向量機（SVM）為典型代表，它是在統(tǒng)計理論識別算法基礎(chǔ)上經(jīng)拓展得到的新興機器學習語言[20]。

2電子鼻在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1電子鼻織物氣味檢測

電子鼻以測定速度快、檢測范圍廣、樣品無需前處理等優(yōu)點，越來越受到研究人員的關(guān)注[21]。近年來，國外已逐漸引入電子鼻技術(shù)于紡織品氣味的分析檢測。如Haeringer等[22]利用具有38個傳感器件的電子鼻KAMINA系統(tǒng)對羊毛和棉織物樣品分別進行檢測，對數(shù)據(jù)采用了PCA分析法分析，結(jié)果證明該系統(tǒng)檢測出了樣品織物上濃度為PPB級別氣味的物質(zhì)，而且對特定氣味具有較佳的定性和定量分析能力。陳巖等[23]用電子鼻氣味指紋儀在不同時間段測定帶有芳香微膠囊的織物樣品，通過檢測織物中微膠囊釋放出的香氣，記錄各個傳感器上的響應(yīng)值，對響應(yīng)數(shù)據(jù)分析可得香味氣體的輪廓曲線，觀察該曲線的變化能直觀地得出香味微膠囊的緩釋效果。

一些學者使用電子鼻指紋儀對織物組織結(jié)構(gòu)吸附異味的能力進行研究，York等[24]選取了組織結(jié)構(gòu)不同的織物，采用不同的方法使織物吸附上實驗預期的氣味，再通過感官嗅辯法和Alpha MOS FOX 3000的電子鼻對試驗樣本分別進行檢測，利用主成分分析法處理輸出數(shù)據(jù)，與未經(jīng)處理的試驗樣本作對比。結(jié)果表明，使用電子鼻比人工嗅辯更易得到吸附及帶上異味氣體的組織結(jié)構(gòu)。York[25]采用電子鼻氣味指紋儀對13種織物吸附異味氣體的難易程度進行探究，并結(jié)合氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GCMS）鑒定織物所附著的氣體物質(zhì)。

以上主要是對紡織品在生產(chǎn)及使用過程中吸附的氣味進行檢測，并沒有涉及到OekoTex Standard 100和中國GBI8401中所提及的一些異味。這些異味主要有霉味、汽油味、魚腥味、芳香烴或香水味。二甲胺是織物帶有魚腥味的主要因素，hai等[26]通過電子鼻技術(shù)和人工嗅覺法分別對二甲胺溶液的氣味進行識別檢測，將兩種方法所得的檢出限進行比較，分析得到二甲胺溶液在25 ℃下達到氣液平衡的最優(yōu)時間為40 min，檢出限達到2 mg/L；在同樣條件下人工嗅辨對二甲胺溶液氣味的識別臨界濃度只有10 mg/L，電子鼻技術(shù)進行氣味檢測靈敏度優(yōu)于嗅辨法，結(jié)果更客觀精確。hai等使用Fox4000電子鼻進行主成分分析可以成功識別出三甲胺、二甲胺、甲胺溶液的氣味其氣體氣味檢出限分別為0.2、2、0.2 mg/L。王昊等[27]基于氣味指紋儀的傳感檢測技術(shù)，檢測了棉紡織品在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)所附著的異味，并對其進行了有效區(qū)分。將帶有5種不同異味的棉織物分別檢驗，根據(jù)傳感器所得檢測數(shù)據(jù)的雷達圖和曲線，表明各個傳感器對各自異味氣體中的氣味分子響應(yīng)程度也各不相同，采用主成分分析法處理數(shù)據(jù)，有效區(qū)分了不同種類的異味氣體分子。

高明星[28]對帶有5種異味的棉織物整體信息的人工智能采集及評價進行研究，測試了實驗處理后吸附上異味的樣品，對數(shù)據(jù)進行主成分分析得到樣品主成分一和主成分二分別為93.599%和6.014%，其累積方差貢獻率達到99.613%遠遠大于85%，說明主成分一和主成分二所包含的信息量足夠大，能夠反映樣品的整體信息，建立主成分一和主成分二的二維判別分析圖用于實驗樣品區(qū)分。實驗結(jié)果得到主成分分析法處理數(shù)據(jù)能夠有效區(qū)分棉織物樣品中各個異味氣體組分，為快速、有效、客觀的紡織品異味檢測及評定的方法提出奠定了一定的基礎(chǔ)。在紡織服裝面料輔料的檢測，服裝原材料羽毛羽絨異味檢測，鴨絨、鵝絨及羊毛、羊絨的鑒別等方面，通過氣味指紋儀器有助于提高其品質(zhì)檢測的準確性以及服裝異味等級評價系統(tǒng)的建立與完善。

2.2電子鼻技術(shù)在功能服裝監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用

以該技術(shù)在線監(jiān)測速度快、靈敏度高的特點，Charmed等[29]發(fā)明了一種“嗅覺感知器”——可穿戴型電子鼻。嵌入這樣的“嗅覺感知器”可以實時監(jiān)測服裝與人體之間的微環(huán)境中人體氣味，獲得的信息傳輸?shù)剿B接的電子處理器中進行數(shù)據(jù)分析。在此基礎(chǔ)上若檢測到有害氣體含量大于實驗所設(shè)定值時，即觸發(fā)面料組織自動吸收，達到減少揮發(fā)性有害物質(zhì)對人體侵害的目的。倫敦嗅覺感知設(shè)計實驗室利用氣味指紋儀技術(shù)開發(fā)了“心理嗅覺感應(yīng)器”，當感應(yīng)器接受到人的體溫、心率等體質(zhì)特征的信號有變化時，就會自動發(fā)出信號，將里面所含的特殊的香味分子釋放出來，這些香味分子可以通過刺激人類大腦神經(jīng)以控制心情，在一定程度上達到預防和治療如抑郁等輕度精神疾病的效果。

Stella等[30]提出了一種植入在織物中的SWNTCOOH電子鼻，該電子鼻采用納米復合氣體傳感器陣列，對人體的氣味進行監(jiān)測。實驗中利用植入傳感器陣列的織物制成衣服穿于人體進行測試，人體中常見的各種揮發(fā)性化合物，如氫氧化銨，吡啶，三乙胺，乙醇，甲醇和丙酮等都能被檢測到。并且，該氣體傳感器陣列還能區(qū)分不同部位所釋放的氣味。實驗證明使用這種電子鼻鑒別人體的氣味來說明健康狀況是可行的。在此基礎(chǔ)上，Li等[31]在可穿戴電子鼻系統(tǒng)的研究有新的進展，以刺繡的方式將能夠識別胺的傳感器嵌入到織物中，該織物制成帶有電子鼻的服裝不但可水洗，而且柔軟舒適，穿著過程中傳感器接收氣味并生成信號將該信號數(shù)據(jù)進行主成分分析處理對穿著人員的氣味進行區(qū)分。在后續(xù)的研究中，Seesaard等[32]實施了可穿戴式用于檢測佩戴者身體氣味的裝置。傳感單元裝置由4個基于織物的氣體傳感器組成，通過刺繡紡織制造。利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信將嗅覺襯衫和電腦之間進行連接。實驗測試了8種揮發(fā)性有機氣體并驗證了傳感器的性能。基于主成分分析法，該設(shè)備能夠?qū)崟r監(jiān)控人體腋下散發(fā)的氣味，從而顯示了實時健康狀態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用是可行的。將該傳感器陣列安裝在鞋內(nèi)，制成智能嗅鞋。智能鞋中電子鼻系統(tǒng)由化學氣敏傳感器陣列和無線數(shù)據(jù)通信組成，可以持續(xù)監(jiān)控足部的氣味，與健康的足部氣味指紋進行對比，得到足部健康指數(shù)。

隨著可穿戴技術(shù)的不斷發(fā)展，人們正試圖將電子鼻植入智能服裝系統(tǒng)中。倫敦藝術(shù)大學與觸控技術(shù)創(chuàng)新公司Peratech聯(lián)合開發(fā)了可穿戴的電子鼻產(chǎn)品。研發(fā)人員利用量子通道合成（QTC）傳感器，根據(jù)有機揮發(fā)性氣味分子初步檢測結(jié)果編寫出針對不同比例氣體的識別算法，并將配備的一個攜帶報警功能的氣敏傳感器和相關(guān)電子產(chǎn)品一同印刷至該智能服裝的面料上。該技術(shù)是能夠檢測到佩戴者特定部位釋放的氣體，監(jiān)測重要疾病信號并且可以提示穿著者危險化學品的存在。在后續(xù)的研發(fā)中，經(jīng)過測試和改進，這樣的電子鼻系統(tǒng)還可以被植入到比較大眾化的面料中，制成新一代的可穿戴智能服裝。

3結(jié)語

電子鼻作為一種模仿生物嗅覺器官的電子技術(shù)，具有檢測速度快、可在線監(jiān)測、靈敏度高、無嗅覺疲勞、檢測結(jié)果客觀、樣品無需預處理、操作簡單、檢測成本低等優(yōu)點。可進行樣品成分鑒定與預測，結(jié)果相比人工鑒定更為客觀可靠。在服裝領(lǐng)域中已初步實現(xiàn)在織物及服裝異味檢測、氣味識別，品質(zhì)評價以及人體監(jiān)測智能服裝中的應(yīng)用。未來電子鼻技術(shù)的應(yīng)用將得到極大地拓展。通過該技術(shù)還可得到較佳的儲藏條件，方便企業(yè)對原材料的倉儲條件進行控制。將電子鼻系統(tǒng)改裝應(yīng)用于智能服裝中可以實時監(jiān)測人體數(shù)據(jù)，推進智能監(jiān)控服裝的發(fā)展。通過不同儀器不同技術(shù)的交叉融合，電子鼻配套系統(tǒng)將不斷完善，電子鼻與其他的電子設(shè)備例如電子舌的連用也可應(yīng)用與服裝的檢測、評價。綜上所述該儀器在服裝領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間和發(fā)展前景，并且逐步從實驗室走向?qū)嵱谩?/p>

參考文獻：

[1] 崔瑤.基于電子鼻的特征提取及模式分類方法研究[D].北京：北京化工大學，2010.

[2] JI F， LI Z. Application of Electronic Nose in Food Field[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences， 2014，42（25）：8747-8748.

[3] RCK F， BARSAN N， WEIMAR U. Electronic nose： current status and future trends[J]. Chemical Reviews， 2008， 108（2）： 705-725.

[4] GARDNER J W， BARTLETT P N. A brief history of electronic noses[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 1994，18（1）：210-211.

[5] 陳國強.淺析異常氣味的檢測[J].中國纖檢，2008（4）：54-55.

[6] PERSAUD K， DODD G. Analysis of discrimination mechanisms in the mammalian olfactory system using a model nose[J]. Nature， 1982，299（5881）：352-355.

[7] GARDNER J W， BARTLETT P N. A brief history of electronic noses [J]. Sensors and Actuators B： Chemical，1994（19）：211-220.

[8] 唐月明，王俊.電子鼻技術(shù)在食品檢測中的應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究，1999，18（5）：8-10.

[9] 唐向陽，張勇，丁銳，等.電子鼻技術(shù)的發(fā)展及展望[J].機電一體化，2006，12（4）：11-15.

[10] 周顯青，崔麗靜，林家永，等.電子鼻用于糧食儲藏的研究進展[J].糧油食品科技，2010，18（5）：63-66.

[11] NAKAMOTO T， FUKUDA A， MORIIZUMI T， et al. Improvement of identification capability in an odorsensing system[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 1991，3（3）：221-226.

[12] NANTO H， STETTER J R. Introduction to chemo sensors [M]. Germany： Wiley VCH，2003：506-507.

[13] EISELE I，DOLL T， BURGMAIR M. Low power gas detection with fet sensors [J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 2001，78（1）：19-25.

[14] 王俊.電子鼻傳感技術(shù)與應(yīng)用研究進展[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44（11）：161-166.

[15] 偉利國，張小超.電子鼻技術(shù)及其在小麥活性檢測中的應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究，2010（6）：150-152.

[16] MARTIN Y G， OLIVEROS M C C， PAVóN J L P， et al. Electronic nose based on metal oxide semiconductor sensors and pattern recognition techniques： characterisation of vegetable oils[J]. Analytica Chimica Acta， 2001，449（1）：69-80.

[17] LEE D S， HUH J S， LEE D D. Classifying combustible gases using microgas sensor array[J]. Sensors and Actuators B： Chemical，2003，93（1）：1-6.

[18] 張學工.關(guān)于統(tǒng)計學習理論與支持向量機[J].自動化學報，2000，26（l）：1-4.

[19] 黃暉，楊鵬，姜海青，等.仿生氣體測量系統(tǒng)電子鼻[J].傳感器技術(shù)，2003，22（1）：1-4.

[20] GARDNER J W， BARTLETT P N. Performance definition and standardization of electronic noses[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 1996，33（1）：60-67.

[21] BROUWER W D.From Science Fiction to Scent Fact[M].Boston： Charmed Technology Press， 2000：87-88.

[22] HAERINGER D， GOSCHNICK J. Characterization of smelling contaminations on textiles using a gradient microarray as an electronic nose[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 2008，132（2）：644-649.

[23] 陳巖，易封萍.香精微膠囊的質(zhì)量評價指標[J].上海應(yīng)用技術(shù)學院學報（自然科學版），2012，12（1）：18-21.

[24] YORK R K， KING M W. Measuring the olfactory properties of textiles： human sensory panel or electronic nose[C]//Proceedings of The Textile Institute 83rd World Conference.Shanghai： Shanghai University Press ，2004：527-532.

[25] YORK R K.Studies on textile stabilization of environmental malodors for sensory and electronic nose analyses[D]. Canada： University of Manitoba，2005.

[26] HAI Z， WANG J. Electronic nose and data analysis for detection of maize oil adulteration in sesame oil[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 2006，119（2）：449-455.

[27] 王昊，廖青，龔，等. 利用電子鼻技術(shù)鑒別棉織物的異味[J].分析儀器，2010（2）：21-26.

[28] 高明星.棉織物腥味客觀檢測方法的對比研究[D].北京：北京服裝學院，2010.

[29] SEESAARD T， LORWONGTRAGOOL P，KERDCHAROENT.Development of FabricBased Chemical Gas Sensors for Use as Wearable Electronic Noses[J]. Sensors， 2015，15（1）：1885-1902.

[30] STELLA R， BARISCI J N， SERRA G， et al. Characterisation of olive oil by an electronic nose based on conducting polymer sensors[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 2000，63（1）：1-9.

[31] LI Y， CHENG X Y， LEUNG M Y， et al. A flexible strain sensor from polypyrrolecoated fabrics[J]. Synthetic Metals， 2005，155（1）：89-94.

[32] SEESAARD T， KHUNARAK C， LORWONGTRAGOOL P， et al. Intelligent smelling shirt based on fabric sensors for health status monitoring[C]//Electron Devices and SolidState Circuits （EDSSC）， 2013 IEEE International Conference of. IEEE， 2013：1-2.

（責任編輯：陳和榜）