電子鼻的原理、應(yīng)用現(xiàn)狀與前景展望

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1、電子鼻的原理、應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望辛松林1楊妍2（1.四川烹飪高等?？茖W(xué)校，四川成都610072；2上海雪國高榕生物技術(shù)有限公司，上海奉賢201401）摘要：氣味指紋檢測(cè)技術(shù)又被稱為電子鼻技術(shù)，是近十年來快速發(fā)展起來的一個(gè)新興事物。本文綜述了電子鼻的檢測(cè)原理、儀器組成、特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀及前景，有助于各界對(duì)電子鼻更全面、深入的了解和認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞：電子鼻；氣味；傳感器電子鼻是一種氣味指紋檢測(cè)方法，其檢測(cè)結(jié)果所顯示的圖譜又被稱為氣味指紋圖譜，是近十年來快速發(fā)展起來的一個(gè)新興事物，主要利用氣味傳感器、數(shù)據(jù)處理設(shè)備和分析軟件組成的裝置，它以氣體為分析對(duì)象，通過模擬人的嗅覺系統(tǒng)對(duì)待檢氣味捕捉和檢測(cè)，因此這

2、種氣味指紋檢測(cè)裝置被形象的稱為電子鼻，這種氣味指紋檢測(cè)技術(shù)又被稱為電子鼻技術(shù)。該技術(shù)是利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)曲線來識(shí)別氣味的電子系統(tǒng)。電子鼻與普通的化學(xué)儀器，如色譜儀、光譜儀等不同，得到的不是被測(cè)樣品各種成分的定性和定量結(jié)果，而是樣品中揮發(fā)成分的整體信息。目前，技術(shù)較成熟電子鼻系統(tǒng)有英國Neotronicssystem和AromaScansystem、法國AlphaMOS系統(tǒng)、日本Frgaro、中國臺(tái)灣Smell和KeenWeen等，它不僅可以對(duì)不同樣品的氣味信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的比對(duì)分析，而且可以通過采集標(biāo)樣信息建立數(shù)據(jù)庫，利用化學(xué)計(jì)量學(xué)的統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)未知樣品進(jìn)行定性和定量分析，具有快速、便

3、捷的特點(diǎn)。1.電子鼻的檢測(cè)原理l994年，英國Warwiek大學(xué)Gardner和Southampton大學(xué)Bartlett使用“電子鼻”這一術(shù)語并定義為“電子鼻是一種由具有部分選擇性化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)模式識(shí)別系統(tǒng)組成、能識(shí)別簡(jiǎn)單或復(fù)雜氣味儀器”。電子鼻又稱氣味掃描儀，在檢測(cè)時(shí)充分發(fā)揮其客觀性、可靠性和重現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，主要用以識(shí)別、分析、檢測(cè)一些會(huì)揮發(fā)成分。1.1儀器組成電子鼻檢測(cè)裝置主要由傳感器、計(jì)算機(jī)、進(jìn)樣裝置、氣體處理裝置所組成。在進(jìn)行氣味分別處理過程中，其核心部件為：氣敏傳感器陣列、運(yùn)算放大器等電子線路、電子計(jì)算機(jī)。電子鼻工作原理是模擬人的嗅覺形成過程一種技術(shù)應(yīng)用。人的嗅覺系統(tǒng)由嗅覺

4、細(xì)胞、嗅覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(包括多個(gè)嗅覺神經(jīng)元)和大腦組成。氣敏傳感器作為電子鼻感知?dú)馕兜幕驹喈?dāng)于人嗅覺系統(tǒng)嗅覺細(xì)胞，將多個(gè)具有不同選擇性氣敏傳感器組成陣列，利用其對(duì)多種氣體交叉敏感性，可通過不同氣味分子在其表面產(chǎn)生作用轉(zhuǎn)化為可測(cè)物理信號(hào)組。而運(yùn)算放大器等電子線路和電子計(jì)算機(jī)就相當(dāng)于人的大腦，信號(hào)預(yù)處理單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取后，信號(hào)進(jìn)入模式識(shí)別單元接受進(jìn)一步處理從而得出混合氣體組成成分和濃度。因智能氣敏傳感器陣列系統(tǒng)裝有不同類型傳感器，所以能模擬出類似鼻子復(fù)雜判斷識(shí)別系統(tǒng)。另外，在建立數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，傳入氣體組分經(jīng)信號(hào)分析后與存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中該種氣體圖案進(jìn)行比較鑒定后，就能快速進(jìn)行系統(tǒng)化、科學(xué)化

5、氣味監(jiān)測(cè)、鑒別、判斷和分析1.1.1氣敏傳感器陣列氣敏傳感器陣列是用于對(duì)氣味進(jìn)行捕捉和檢測(cè)的氣敏傳感器，相當(dāng)于初級(jí)嗅覺神經(jīng)元。氣敏傳感器的材料為金屬氧化物、高分子聚合物材料、壓電材料等制成，由具有廣譜響應(yīng)特性，交叉靈敏度較大，對(duì)不同氣體靈敏度不同等特點(diǎn)。氣敏傳感器與人民生活、生產(chǎn)活動(dòng)關(guān)系最密切，因而引起很多人的重視和興趣。目前，氣敏傳感器種類較多，已開發(fā)出了氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器、固體電解質(zhì)氣敏傳感器、有機(jī)半導(dǎo)體氣敏傳感器、石英振子氣敏傳感器、場(chǎng)效應(yīng)氣敏傳感器、熱催化氣敏傳感器、表面聲波氣敏傳感器、光學(xué)氣體傳感器等8種形式，其中氧化物半導(dǎo)體和固體電解質(zhì)氣敏傳感器是主流產(chǎn)品，它們的產(chǎn)量最大、

6、應(yīng)用最廣。其它各種氣敏傳感器占有的市場(chǎng)份額較小。1.1.2運(yùn)算放大器等電子線路運(yùn)算放大器是對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的放大電路，它曾是模擬計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)部件，因而得名。采用集成電路工藝制做的運(yùn)算放大器，除保持了原有的很高的增益和輸入阻抗的特點(diǎn)之外，還具有精巧、廉價(jià)和可靈活使用等優(yōu)點(diǎn)，因而在有源濾波器、開關(guān)電容電路、數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、直流信號(hào)放大、波形的產(chǎn)生和變換，以及信號(hào)處理等方面得到十分廣泛的應(yīng)用。如在一些自動(dòng)控制系統(tǒng)中，首先要把被控制的非電量（如溫度、氣味、轉(zhuǎn)速、壓力、流量、照度等）用傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再與給定量比較，得到一個(gè)微弱的偏差信號(hào)。因?yàn)檫@個(gè)微弱的偏差信號(hào)的幅度和功率均不足以推動(dòng)顯

7、示或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以需要把這個(gè)偏差信號(hào)放大到需要的程度，再去推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或送到儀表中去顯示，從而達(dá)到自動(dòng)控制和測(cè)量的目的。運(yùn)算放大器等電子線路，相當(dāng)于二級(jí)嗅覺神經(jīng)元，具有對(duì)初級(jí)神經(jīng)元傳遞過來的信息進(jìn)行調(diào)節(jié)、抑制功能。1.1.3電子計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)相當(dāng)于人或動(dòng)物的大腦，能夠自動(dòng)、高速地進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算和各種信息處理與加工。除了這些硬件之外，對(duì)嗅覺信號(hào)進(jìn)行處理判斷的分析軟件也同樣重要。它的主要內(nèi)容是模式識(shí)別技術(shù)，在各種電子鼻