電子鼻傳感技術及應用研究進展

吳 克

西南科技大學應用技術學院，四川 綿陽 621010

電子鼻傳感技術及應用研究進展

吳 克

西南科技大學應用技術學院，四川 綿陽 621010

本文簡述了電子鼻技術的發展史、工作原理和主要類型，分析了電子鼻在食品、煙草、醫學和環境監測方面的應用，最后對電子鼻傳感技術存在的問題和發展方向進行了探討。

電子鼻；傳感器；應用研究

在食品安全、環境質量受到高度重視的今天，農產品和環境的檢測技術被提出了更高的要求。目前，較有權威的檢測大都來源于相關檢測機構的儀器分析及其出具的報告，但是這種方法耗時長、成本高。而另一方面，感官評價的主觀性強、易受外界的影響。隨著新材料、傳感器和信息技術的發展，電子鼻作為一種新興仿生檢測技術逐漸取得了較快的發展，并廣泛應用在食品、醫學、環境等方面的檢測。

一、電子鼻傳感技術概述

(一)組成及原理

電子鼻系統包括氣體采樣系統、氣敏傳感器陣列、信號預處理、模式識別和數據顯示五大部分組成。氣味與傳感器中的氣敏材料發生作用，由傳感器將氣體信號轉變為電信號，信號經過處理(如噪音消除、特征提取、信號放大等)，再通過合適的識別模式進行分析，最后信號輸出。不同的氣體通過和敏感材料的反應會產生其獨有的特征譜圖，可用于定性分析。在電子鼻系統中，最重要的部分是氣敏傳感器陣列，因為每種傳感器都對部分氣體具有選擇性，所以通過不同傳感器的組合，能夠實現對多種氣體的檢測。

(二)分類

基于傳感器陣列的重要地位，根據傳感器中敏感材料的不同，將氣敏傳感器分為4大類：電導型氣敏傳感器，包括金屬氧化物半導體傳感器和有機聚合物膜傳感器；質量敏感型氣敏傳感器，包括石英晶體微天平傳感器和表面聲波傳感器；光纖氣敏傳感器，利用光譜變化原理；金屬氧化物半導體場效應傳感器，利用電荷功耗作用。

1.金屬氧化物半導體氣敏傳感器。金屬氧化物，如ZnO、Fe2O3等屬于N型半導體材料，其表面的空穴易在高溫下被CO、H2S、H2等還原性氣體還原，膜表面得到電子導致其電導率發生變化，其變化與氣體濃度有關，因此可根據敏感材料的電導率變化檢測出氣體濃度。研究發現摻雜金、鉑等貴金屬能夠降低該類氣敏傳感器的工作溫度。史波林等利用Fox4000型電子鼻和軟獨立模型分析法建立了辨別茶葉等級、樹種和產地的3個智能模型。

2.導電聚合物氣敏傳感器。通過摻雜等方法能夠使聚合物的電導率數值處在導體和半導體之間。在吸附氣體后，導電聚合物的分子鏈溶脹或會發生其他某種反應，分子鏈的電子密度改變，進而改變其電導率，并且電導率變化與氣體種類及濃度相關。這類傳感器常用于檢測SO2、CO2等大氣氣體以及醇類、芳香烴鹵代烴等有機溶劑蒸汽，此外，導電聚合物氣敏傳感器還應用于食品、包裝等方面，例如區分微生物群落、檢測肉類腐敗程度等。

3.質量敏感型氣敏傳感器。通過測量壓電材料在交變電場作用下產生的聲波信號的參數變化來分析檢測物。分為體聲波器件和表面聲波器件兩種，通過分析頻率或波速等參數的變化可以得到待測物的濃度等相關信息。

4.場效應傳感器。當氣體作用于敏感材料表面或敏感膜時漏源電流變化，使傳感器性能發生變化，其變化量與氣體濃度有關。場效應傳感器可以通過涂敷不同的薄膜實現對多種氣體的檢測。這類傳感器的性能與膜厚度、催化劑種類、工作溫度緊密相關。可用于NO2、CH4、CO2以及有機氣體的檢測，但是由于種類單調等缺點，應用較不廣泛。

5.光纖氣敏傳感器。其最直接的測量方法是測量特定頻率范圍內氣體吸光度的變化，還可以用顏色做指示信息測量氣體吸光度變化，實現了氣體信號的可視化，還可定量檢測有毒氣體。光纖氣敏傳感器具有較高的專一性、靈敏度和較強的抗噪能力，是近幾年發展最快的一種傳感器[1]。

二、電子鼻傳感技術的應用

(一)食品方面

電子鼻傳感技術在食品的原料檢測、品質分類和評價、生產條件控制等方面的應用極為廣泛，可以檢測肉、糧食、乳制品、水產品等的新鮮度，可以對酒類的品牌、酒齡、產地等進行識別判斷，還可以對果蔬的農藥殘留、成熟度和貯藏效果進行分析[2]。肉類中的蛋白質、脂肪和碳水化合物會在儲存過程中分解并產生胺類等難聞氣體，Tian等利用這一原理，使用電子鼻檢測了豬肉的新鮮度，并以揮發性鹽基氮做為對比，結果表明電子鼻可以準確地判斷豬肉的貨期，準確率為91%。利用電子鼻技術結合概率神經網絡和主成分分析法可以辨別不同酒齡的葡萄酒。

(二)煙草方面

煙草的品質判定主要由經過專業訓練的專職評煙師的感官評定進行，不僅投入大、周期長，還有一定的主觀性。因此，電子鼻技術被廣泛應用于煙草的檢測和識別。通過電子鼻中的傳感器陣列與模式識別法、主成分分析法、線性判別分析法等分析方法的結合，可以識別不同品牌、國家以及制作流程的香煙、卷煙和烤煙，較多實驗研究證明電子鼻是區分、識別不同煙草的有效方法。

(三)醫學方面

肺癌患者呼出的氣體中含有20多種特征性的有機揮發性氣體。由于肺癌細胞的早期癌變沒有明顯形變，傳統的檢測手段難以發現細胞的異變。但是癌變細胞的代謝產物中有特殊氣體，因此電子鼻技術可以用來初步診斷肺癌。糖尿病的并發癥之一是酮酸中毒，即患者血液中含有酮酸體。酮酸體的代謝產物丙酮可以隨呼吸排出體外，電子鼻正是利用這一原理實現了對糖尿病的早期無損診斷。Mohamed等用電子鼻對尿樣的檢測結果證明電子鼻技術對糖尿病的識別率達96%。

(四)環境監測

電子鼻在環境監測中的應用主要包括對室內空氣、室外空氣質量的監測、污染氣體排放源的直接檢測等方面。環境監測與人類的生活息息相關，污水處理廠、養殖場、垃圾站、裝修污染等在嚴重影響著人類的生存環境，對這些污染來源的檢測和監管對保護生存環境至關重要。

三、發展與展望

電子鼻技術具有方便、快捷、檢測范圍廣等優點，不需要樣品處理程序和其他化學試劑的使用，是一種綠色的檢測技術。實現多種氣體的同時準確的檢測識別是當前的研究目標，在實現現場或移動檢測中，制造無線電子鼻系統更是有著極大的發展潛力。

[1]王俊.電子鼻傳感技術與應用研究進展[J].農業機械學報，2013，44(11).

[2]方向生.電子鼻在環境監測中的應用與進展[J].環境科學與技術，2011，34(10).

TP

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1006-0049-(2017)05-0269-01