互聯(lián)網加模式下電子鼻在監(jiān)測領域的應用

楊雪欣，樊浩然

（哈爾濱商業(yè)大學旅游烹飪學院，黑龍江哈爾濱150076）

隨著時代的發(fā)展，科技的自動化逐漸成為社會主流。自動化監(jiān)測是工業(yè)發(fā)展必不可少的工具，在一定程度上反映一個國家的工業(yè)化程度，其重要性毋庸置疑。隨著互聯(lián)網技術的逐漸成型，以互聯(lián)網為載體的電子鼻在監(jiān)領域克服了人工監(jiān)測耗資大以及監(jiān)測治理滯后的缺點。將電子鼻與互聯(lián)網相結合，研發(fā)出一種智能、節(jié)能、便捷的電子鼻系統(tǒng)，使電子鼻的應用領域得到擴展。本文對提升電子鼻的應用領域及性能具有重要的學術價值。目前已經完成此儀器的初期設計方案，在以后的工作中將逐步開發(fā)出適合的硬件以及軟件系統(tǒng)。

1 電子鼻的工作原理

電子鼻工作原理：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[1]，即根據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[2]。

氣體采集控制系統(tǒng)和化學傳感器陣列構成電子鼻的硬件部分，軟件部分為模式識別系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)兩大模塊[3]。目前應用較廣泛的傳感器類型有金屬氧化物、導電化合物和體聲波化學傳感器（quarta crystal microbalance，QCM）、表面化學聲波傳感器（surface acoustic wave，SAW）。該陣列通常由具有交叉敏感性、廣譜響應性以及高靈敏度的多個氣體傳感器組成[4]。不同的傳感器能識別不同氣體的同時也具有不同的檢測限，而且還形成多維空間的響應模式?；ヂ?lián)網加模式下的電子鼻通過監(jiān)測對象的不同，安裝特異性傳感陳列，將多個監(jiān)測結果的物理信號通過互聯(lián)網傳輸到一臺計算機終端，進行統(tǒng)計分析，將監(jiān)測結果與監(jiān)測要求進行對比，得出結果?；ヂ?lián)網模式下電子鼻的工作原理見圖1。

圖1 互聯(lián)網模式下電子鼻工作原理Fig.1 Working principle of electronic nose in Internet mode

2 互聯(lián)網加模式下電子鼻的應用領域

2.1 在食品監(jiān)測領域的應用

隨著電子鼻研究的日漸深入，電子鼻能夠測量多種食品的特征氣味。根據電子鼻的傳感器和分析模式不同，以互聯(lián)網模式為載體的電子鼻在食品的生產鏈條即從原料的儲藏、加工過程到上架后的貨架期預測中進行自動化監(jiān)測。

2.1.1 在食品原料儲存檢測方面

食品貨架期的預測已經成為食品行業(yè)重點的步驟，以互聯(lián)網為載體的電子鼻可以對食品庫的發(fā)霉、變質情況進行實時監(jiān)測，通過電子鼻特異傳感器對某種原料變質、腐敗后產生的相應氣體及時作出響應和預警。能夠對變質原料做出準確、快速判斷，第一時間發(fā)現(xiàn)變質食品，并及時采取措施，使損失達到最小化。

在香腸的存儲監(jiān)測中顧欣哲等[5]根據Loading 分析、方差分析和Pearson 相關性分析確定了最佳傳感器，通過酸價和過氧化值的指標來觀測氧化指數，結果表明電子鼻監(jiān)控對脂肪氧化程度有顯著的區(qū)分性，可用于脂肪氧化過程的監(jiān)控。食品加工原料中的草莓很容易腐壞變質。朱娜等[6]對接種了霉菌的草莓每隔兩天進行一次電子鼻檢測，再結合主成分分析、多元方差分析這兩種分析方法在與正常水果比對后，明顯的檢測到與正常草莓的顯著差異。利用Fisher 判別建立的回歸函數得到的判別正確率均在98%以上，也就是表明，電子鼻技術對草莓霉變后產生的烴類和酯類化合物很敏感，可以將電子鼻技術應用于草莓霉變的監(jiān)控把握研究。作為食品廠原料的玉米霉變后產生的霉菌毒素代謝產物卻會在人體沉積對人體產生毒害作用，殷勇等[7]利用Fisher 判別分析發(fā)現(xiàn)多特征融合模式響應信息差異顯著，因此這種模式不僅可應用于玉米霉變的監(jiān)控，而且具有普遍性。浦宏杰等[8]用電子鼻對芒果的揮發(fā)性物質進行成監(jiān)測，通過判別因子（discriminant factor analysis，DFA）分析，電子鼻能夠區(qū)分不同成熟期的芒果，同時也能區(qū)分變質的芒果。結果說明在互聯(lián)網模式下的電子鼻設備可以通過測定芒果釋放的揮發(fā)性物質來確定芒果的變質情況。這些試驗都說明互聯(lián)網模式下的電子鼻可以很好的對食品加工原料的儲藏變質情況進行監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)變質產品，因此廠商能夠達到最小的損失。避免了人工監(jiān)測的高成本，以及滯后性這些缺點。

2.1.2 在食品加工過程中的應用

在食品加工過程中，以互聯(lián)網為載體的電子鼻可以實現(xiàn)食品在烹調、發(fā)酵等過程的監(jiān)測，通過監(jiān)測加工環(huán)境中是否出現(xiàn)異常氣味，來控制食品加工過程中的制品質量。丹麥青紋干酪的成熟的過程用電子鼻就可以完成進行實時監(jiān)控[9]。根據干酪成熟過程中每個過程產生的特異性氣體來對干酪的成熟情況進行自動化監(jiān)測。說明用電子鼻進行羊奶檢測是可行的互聯(lián)網模式下電子鼻能同時對不同批次的干酪進行自動化監(jiān)測，可以第一時間對生產鏈的異常采取措施。除此之外，張虹艷等[10]還采用了BP 神經網絡和線性判別分析對羊奶加工過程中揮發(fā)性物質的檢測，結果表明BP 神經網絡能區(qū)分不同品質的羊奶?；ヂ?lián)網模式下電子鼻通過監(jiān)測釀造過程中不同時期產生的不同揮發(fā)性氣體，從而準確判斷原料的成型期，對釀造工業(yè)化有指導意義。

2.1.3 在食品貨架期的檢測方面

季淑娟等[11]采用電子鼻技術檢測南果梨。結果表明：電子鼻對南果梨的揮發(fā)性物質比較靈敏，可以利用電子鼻無損檢測南果梨的揮發(fā)性物質的變化SimonaBenedetti 等[12]用電子鼻采用主成分分析（principal component analysis，PCA）和線性判別式分析（Linear discriminant analysis，LDA）對桃子成熟期和貨架期進行分析。張鵬等[13]通過氣質連用的方式確定出蘋果在不同貯藏時期具有特異的揮發(fā)性物質，LDA 分析模式的監(jiān)測能夠準確的計算蘋果的貨架期。電子鼻可以通過對多種貨架食品的監(jiān)測數據進行分析，方便快捷的預測各種商品的貨架期。

2.2 在醫(yī)療中的應用

研究表明，不同的疾病患者所呼出的氣體中有某種特定成分，例如患有肝硬化的人呼出的氣體中會出現(xiàn)脂肪酸，腎衰竭患者呼出的氣體中含有三甲氨，肝癌患者的呼出氣體中存在烷類和苯的衍生物等?；ヂ?lián)網模式下的電子鼻能對人體的健康情況進行實時監(jiān)測。

陳星[14]采用固相微萃取與氣相色譜聯(lián)用提取肺癌患者和未患肺癌者的特征性氣體進行比較，確定肺癌患者氣體中的標志物，通過改變電子鼻傳感器的響應物質，能夠對肺癌患者做出判斷。由于電子鼻具有方便靈敏快捷的特點可以快速檢測出被測氣體的某些特定成分。Seesaar 等[15]實施了可穿戴式用于檢測佩戴者身體氣味的裝置利用ZigBee 無線網絡將身體嗅覺與電腦進行連接實時監(jiān)測人體腋下散發(fā)的氣味從而顯示實時健康狀態(tài)的監(jiān)測的應用。還可以將此設備置于鞋底將監(jiān)控的氣味與健康足部氣味指紋進行對比，得到足部健康指數。臺北醫(yī)科大學設計了以聲波為基礎的電子鼻系統(tǒng)，結合不同分析模式，通過實時的監(jiān)測人呼出的氣體判斷人體肺部和呼吸道的感染細菌時細菌的種類。結果表明，該電子鼻系統(tǒng)對6 種病原體細菌的識別率達到98%[16]。劉伯科等[17]通過實時檢測人體呼出的氣體中微生物對含硫氨基酸的代謝產物就能夠判斷人體是否存在疾病征兆?？膳宕魇诫娮颖菍Χ嗳梭w呼出氣體的監(jiān)測結果通過互聯(lián)網傳輸到呼吸診斷網絡平臺進行分析根據健康檢測限對人的健康狀況進行評價，準確快速的檢測出人體的健康情況，第一時間發(fā)現(xiàn)疾病，具有無創(chuàng)、快速、高效、便捷等優(yōu)點。在醫(yī)療領域互聯(lián)網模式下的電子鼻展現(xiàn)出一種新型具有吸引力的監(jiān)測人體健康的方法。電子鼻在該領域還有很大的發(fā)展空間和前景，并逐步從實驗室邁向人類的生活中。

2.3 在環(huán)境檢監(jiān)測方面

環(huán)境電子鼻是一種模仿人的嗅覺功能的智能仿生電子儀器，通過傳感器將被檢氣體轉化為一定的電信號或物理信號，并利用多元統(tǒng)計方法對這些信號進行處理以達到對被檢揮發(fā)性氣體分析、檢測和識別的目的?；ヂ?lián)網模式下電子鼻系統(tǒng)能夠對生活垃圾場、工廠排放的有害氣體進行實時監(jiān)測。

蘇愛華等[18]用法國阿默思惡臭電子鼻對小區(qū)垃圾箱進行監(jiān)測。通過電子鼻對敏感點臭氣濃度的響應值，結合互聯(lián)網傳輸模塊、惡臭在線監(jiān)測預警平臺，形成對多個垃圾箱實現(xiàn)惡臭實時在線監(jiān)測、響應聯(lián)動以及措施跟進等。當氣味到達某一程度時計算機對相應編號的垃圾箱做出預警并進入應急聯(lián)動狀態(tài)，通知對應的環(huán)境負責人員對該垃圾箱進行清潔。從而能夠快速解決小區(qū)垃圾箱異味問題。

另外，電子鼻技術與互聯(lián)網相結合[19]可以被運用于工廠的排風系統(tǒng)，工廠每天都會產生不同的廢氣，某些工廠廢氣嚴重超出國家標準。國家可以通過互聯(lián)網加電子鼻模式對國內的工廠排風氣體進行實時監(jiān)測，將監(jiān)測值通過互聯(lián)網上傳到各地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測點，通過對超標物質的種類及含量進行分析，第一時間對有害氣體做出應對。

3 討論和展望

電子鼻作為一種具有快速、多功能、使用簡單、低成本、便攜等優(yōu)點的儀器，再以互聯(lián)網作為信息傳輸渠道能夠自動化在線監(jiān)測。現(xiàn)有的研究報道也表明了電子鼻在實時監(jiān)測領域的發(fā)展?jié)摿?。同時，也必須認識到電子鼻技術由于其本身的特性，只能用于某些特殊領域的的監(jiān)測。其次，電子鼻的模式識別需要通過大量的試驗數據及監(jiān)測才能夠應用相對穩(wěn)定，在某些領域的推廣上有些困難。最后，受傳感器材料和工藝的影響，電子鼻的分析精度和重復性與精密分析儀器相比還有欠缺。作為一種新型監(jiān)測技術，電子鼻與互聯(lián)網相結合的模式在日趨自動化的時代中，其應用領域將會不斷擴大。

綜上所述，電子鼻結合互聯(lián)網在實時監(jiān)測中的應用可定位在食品的加工鏈，醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)測等方面。目前國內對電子鼻結合互聯(lián)網進行實時監(jiān)測中的應用研究很少，隨著自動化監(jiān)測的需求越來越大，電子鼻可發(fā)揮很大的作用，此類儀器和檢測方法的研究力度還應加大。