電子鼻的原理、應用現(xiàn)狀及前景展望

1、電子鼻的原理、應用現(xiàn)狀及前景展望辛松林1 楊妍2（1.四川烹飪高等?？茖W校，四川 成都 610072；2上海雪國高榕生物技術有限公司，上海 奉賢201401）摘要：氣味指紋檢測技術又被稱為電子鼻技術，是近十年來快速發(fā)展起來的一個新興事物。本文綜述了電子鼻的檢測原理、儀器組成、特點、應用現(xiàn)狀及前景，有助于各界對電子鼻更全面、深入的了解和認識。關鍵詞：電子鼻；氣味；傳感器電子鼻是一種氣味指紋檢測方法，其檢測結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)展起來的一個新興事物，主要利用氣味傳感器、數(shù)據(jù)處理設備和分析軟件組成的裝置，它以氣體為分析對象，通過模擬人的嗅覺系統(tǒng)對待檢氣味捕捉和檢測，因

2、此這種氣味指紋檢測裝置被形象的稱為電子鼻，這種氣味指紋檢測技術又被稱為電子鼻技術。該技術是利用氣體傳感器陣列的響應曲線來識別氣味的電子系統(tǒng)。電子鼻與普通的化學儀器，如色譜儀、光譜儀等不同，得到的不是被測樣品各種成分的定性和定量結果，而是樣品中揮發(fā)成分的整體信息。目前，技術較成熟電子鼻系統(tǒng)有英國Neotronics system和AromaScansystem、法國Alpha MOS系統(tǒng)、日本Frgaro、中國臺灣Smell和KeenWeen等，它不僅可以對不同樣品的氣味信息進行簡單的比對分析，而且可以通過采集標樣信息建立數(shù)據(jù)庫，利用化學計量學的統(tǒng)計分析方法對未知樣品進行定性和定量分析，具有快速

3、、便捷的特點。1.電子鼻的檢測原理l994年，英國Warwiek大學Gardner和Southampton大學Bartlett使用“電子鼻”這一術語并定義為“電子鼻是一種由具有部分選擇性化學傳感器陣列和適當模式識別系統(tǒng)組成、能識別簡單或復雜氣味儀器” 。電子鼻又稱氣味掃描儀，在檢測時充分發(fā)揮其客觀性、可靠性和重現(xiàn)性等優(yōu)點，主要用以識別、分析、檢測一些會揮發(fā)成分。1.1儀器組成電子鼻檢測裝置主要由傳感器、計算機、進樣裝置、氣體處理裝置所組成。在進行氣味分別處理過程中，其核心部件為：氣敏傳感器陣列、運算放大器等電子線路、電子計算機。電子鼻工作原理是模擬人的嗅覺形成過程一種技術應用。人的嗅覺系統(tǒng)由嗅

4、覺細胞、嗅覺神經(jīng)網(wǎng)絡(包括多個嗅覺神經(jīng)元)和大腦組成。氣敏傳感器作為電子鼻感知氣味的基本元件相當于人嗅覺系統(tǒng)嗅覺細胞，將多個具有不同選擇性氣敏傳感器組成陣列，利用其對多種氣體交叉敏感性，可通過不同氣味分子在其表面產(chǎn)生作用轉化為可測物理信號組。而運算放大器等電子線路和電子計算機就相當于人的大腦，信號預處理單元對信號進行特征提取后，信號進入模式識別單元接受進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雜判斷識別系統(tǒng)。另外，在建立數(shù)據(jù)庫基礎上，傳入氣體組分經(jīng)信號分析后與存儲于數(shù)據(jù)庫中該種氣體圖案進行比較鑒定后，就能快速進行系統(tǒng)化、科學化氣

5、味監(jiān)測、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氣味進行捕捉和檢測的氣敏傳感器，相當于初級嗅覺神經(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，由具有廣譜響應特性，交叉靈敏度較大，對不同氣體靈敏度不同等特點。氣敏傳感器與人民生活、生產(chǎn)活動關系最密切，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)出了氧化物半導體氣敏傳感器、固體電解質氣敏傳感器、有機半導體氣敏傳感器、石英振子氣敏傳感器、場效應氣敏傳感器、熱催化氣敏傳感器、表面聲波氣敏傳感器、光學氣體傳感器等8種形式，其中氧化物半導體和固體電解質氣敏傳感器是主流產(chǎn)品，它們的產(chǎn)量最大、應用最

6、廣。其它各種氣敏傳感器占有的市場份額較小。1.1.2運算放大器等電子線路運算放大器是對信號進行數(shù)學運算的放大電路，它曾是模擬計算機的基礎部件，因而得名。采用集成電路工藝制做的運算放大器，除保持了原有的很高的增益和輸入阻抗的特點之外，還具有精巧、廉價和可靈活使用等優(yōu)點，因而在有源濾波器、開關電容電路、數(shù)-模和模-數(shù)轉換器、直流信號放大、波形的產(chǎn)生和變換，以及信號處理等方面得到十分廣泛的應用。如在一些自動控制系統(tǒng)中，首先要把被控制的非電量（如溫度、氣味、轉速、壓力、流量、照度等）用傳感器轉換為電信號，再與給定量比較，得到一個微弱的偏差信號。因為這個微弱的偏差信號的幅度和功率均不足以推動顯示或者執(zhí)行

7、機構，所以需要把這個偏差信號放大到需要的程度，再去推動執(zhí)行機構或送到儀表中去顯示，從而達到自動控制和測量的目的。運算放大器等電子線路，相當于二級嗅覺神經(jīng)元，具有對初級神經(jīng)元傳遞過來的信息進行調節(jié)、抑制功能。1.1.3電子計算機電子計算機相當于人或動物的大腦，能夠自動、高速地進行大量數(shù)值計算和各種信息處理與加工。除了這些硬件之外，對嗅覺信號進行處理判斷的分析軟件也同樣重要。它的主要內容是模式識別技術，在各種電子鼻研究中，用過多種模式識別技術，如多變量模式識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別和模糊集合理論。2.電子鼻的特點2.1裝置特點電子鼻用于氣味檢測過程中通常需要用到多個不同類型的氣敏傳感器，一般來說，傳

8、感器數(shù)量越多，對氣味的檢測越準確，相應的對氣味的分析過程也越復雜，對計算結果的處理要求也更高。通常在電子鼻的檢測中，將幾個不同的傳感器組成一組，形成一個傳感器陣列，每一組的傳感器對不同的氣味具有不同的敏感性，如某些傳感器組對甲烷具有高敏感度；有些傳感器對一氧化碳和酒精具有較高敏感性，但對甲烷和氫氣的交叉敏感性??；另外一些傳感器組對臭氧、氧化氮非常敏感，對甲烷、酒精交叉敏感性??；還有些傳感器組對氫氣非常敏感，對甲烷、酒精和氨氣的敏感性差。因此，利用電子鼻進行檢測時，應針對一些具有特殊氣味的對象進行檢測，檢測對象間的氣味差異性、氣味成分組成、氣味濃度都與檢測結果的可辨識性密切相關。如果待測樣品為多

9、種組分，其氣味成分相當較為復雜，對檢測結果會有一定影響，可能會造成檢測結果無法區(qū)分或變化規(guī)律性不明顯。2.2應用特點電子鼻應用最為廣泛的主要集中在兩個方面：一種是檢測多種已知樣品，通過電子鼻的檢測結果進行分析，在電子鼻的檢測結果中比較分析不同樣品之間的區(qū)別和聯(lián)系，從而建立一種關系或進行區(qū)分；另外一種是檢測已知樣品，得到檢測結果后進行記錄，作為標準樣品，通過檢測未知樣品和標準品進行比對，比較未知樣品和標準品的差異性。這種方法也經(jīng)常被用于未知樣品的品質檢測或檢測已知樣品中是否摻雜有不符合質量要求的偽劣產(chǎn)品。2.3結果分析電子鼻檢測后的數(shù)據(jù)是經(jīng)過分析軟件技術后得到的，主要的分析方法有主成分分析（PC

10、A）、判別因子分析（DFA）、統(tǒng)計質量控制分析（SQC）、偏最小二乘回歸分析（PLS）等分析方法。2.3.1主成分分析（PCA）PCA是在對樣品特性一無所知的前提下，通過對原始數(shù)據(jù)向量進行線性變換，從而在一定的視角來尋找樣品間的差異的一種算法。該算法不丟失任何樣品信息，僅僅通過改變坐標軸來達到區(qū)分樣品的目的。2.3.2判別因子分析（DFA）DFA是在有先驗知識的前提下，即知道各樣品所屬類別的情況下，對原始數(shù)據(jù)向量進行線性變換，使得各類樣品能夠更好區(qū)分，這是與PCA的區(qū)別。DFA分析常用于建立樣本數(shù)據(jù)庫而后對未知樣本進行定性判別。2.3.3統(tǒng)計質量控制分析（SQC）SQC是一種常用的質量控制方法

11、，是基于樣品符合正態(tài)分布為前提，計算樣品分布的95%的置信區(qū)間。在進行質量控制時，對未知樣品計算其置信度，在置信區(qū)間內部的樣品即被判為合格樣品。因此，此方法常用于原料及成品的質量控制。2.3.4偏最小二乘回歸分析（PLS）PLS是一種有偏多元回歸分析。它是根據(jù)變量的不同權重，計算各變量的回歸系數(shù)，建立回歸方程。3.電子鼻的應用現(xiàn)狀3.1食品品質監(jiān)控食品品質管理環(huán)節(jié)需要投入一定的人力，尤其是評判結果主要依靠主觀進行評價的對象，具有復雜性、監(jiān)控難度大、水平要求高等特點。電子鼻提供一種通過快速無損方式測定食物揮發(fā)物質，從而對待測樣品的品質進行客觀評價。電子鼻技術在國內外品質監(jiān)控方面已有部分應用，如在

12、豬肉加工過程中，一些微生物腐敗產(chǎn)物及化學物質，尤其是氧化脂肪酸和豬肉品質密切相關，通過電子鼻跟蹤這類化合物，就能很直觀反映出肉制品品質情況，從而監(jiān)測豬肉熱加工中的氣味變化，達到對豬肉加工過程實施監(jiān)管，獲得加工品質最好時機的目的。在一些水果的品質監(jiān)測中，電子鼻也有應用，如在杏子儲藏過程中，通過監(jiān)測其揮發(fā)性香味物質，可以對儲藏過程中杏子質量變化進行科學評價。一些具有特殊香味的水果，其香味的變化與其機械損傷和水分變化密切相關，因此可以利用電子鼻對其香味的變化進行監(jiān)控，從而反映其品質的優(yōu)劣。在油脂的檢測中，電子鼻可以檢測到油脂酸敗所產(chǎn)生的氣味變化，對油脂品質進行快速評定。電子鼻還可應用于葡萄酒生產(chǎn)漿果

13、脫水工藝監(jiān)測，通過檢測葡萄漿果在脫水過程中厭氧代謝產(chǎn)物(主要是一些揮發(fā)性物質)顯著變化以全程跟蹤脫水過程，能確保脫水過程可控性和合理性。研究發(fā)現(xiàn)，電子鼻也具有控制橄欖油中最重要揮發(fā)性物質形成及所產(chǎn)生變化能力，通過電子鼻所測得結果可優(yōu)化橄欖壓榨工藝條件，對不同類型橄欖確定最佳壓榨條件。3.2食品辨別分析決定食品食用價值的因素有色、香、味、意、型、養(yǎng)等，其中香是食品感官評定過程中的重要嗅覺參數(shù)。通過對食品中一些擁有氣味特征揮發(fā)物質檢測，可判定食品品質等級及優(yōu)良與否，或劃分成不同類別。有研究者通過利用電子鼻與氣相色譜和質譜分析儀器聯(lián)用，測定76組商品和120種自制柑橘汁飲料，作出不同分析指紋圖，從而

14、對柑橘汁飲料品質實現(xiàn)等級劃分。通常對酒精飲料的區(qū)分主要是利用酒精含量不同來進行區(qū)分，而電子鼻利用不同酒精飲料氣味的差異，對樣品進行有效的區(qū)分。茶葉具有特殊的香氣，其香氣也是影響茶葉品質的重要因素，利用電子鼻探測茶葉中香氣物質從而對茶葉進行分類，也顯示出廣闊應用前景。電子鼻還可清晰判別嬰兒谷物食品與母乳中香氣成分的區(qū)別，有利于指導母親更加合理利用谷物食品喂養(yǎng)嬰兒。3.3食品安全檢測隨著消費者對食品安全性與可靠性關注度增強，研究人員也逐步研發(fā)出許多尖端技術用于對食品安全檢測。電子鼻在食品安全檢測中，由于其測定快速、成本低、對產(chǎn)品無損壞、具有對較廣范圍食品種類鑒別能力等優(yōu)點，從而得到有效利用。利用電

15、子鼻對感染真菌小麥和黑麥進行檢測，主要是檢測一些揮發(fā)性代謝物質，發(fā)現(xiàn)它們與正常樣品比較有顯著變化，從而為谷物的無損檢測提供了依據(jù)。為延長海產(chǎn)品貨架期，一些不法商販通常采用化學藥劑進行浸泡，對消費者健康造成極大危害，利用電子鼻進行檢測可以有效判斷出一些海產(chǎn)品的品質以及其腐敗程度。利用電子鼻技術對牛奶氣味物質進行檢測并通過主成分分析和判別分析，可將摻入外來脂肪和未摻入外來脂肪的牛奶成功區(qū)分開。4. 電子鼻應用的前景展望電子鼻作為一種電子嗅覺傳感技術，在食品品質監(jiān)控、質量評價和安全檢測中顯示出獨特優(yōu)點，如可在線全程跟蹤加工工藝、檢測過程，對產(chǎn)品無損壞、快速靈敏等。隨著研究深入，人們發(fā)現(xiàn)利用多學科方法

16、將不同檢測儀器和電子鼻進行聯(lián)用，可使各種檢測結果因互相補充而得以完善，將更有利于研究深入、產(chǎn)品質量和質量控制。因此，越來越多實驗方法將電子鼻與其它一些分析儀器或技術相結合，如將電子鼻與氣相色譜儀火焰離子化檢測器并聯(lián)成為一個耦合系統(tǒng)后，不僅可檢測食品中復雜香氣成分中各有效物質，還可得出各有效物質對電子鼻所測得總體香氣所作出的貢獻大小?？傊陔娮颖欠治黾夹g優(yōu)勢基礎上，聯(lián)合利用其它分析技術可取得更加詳盡分析結果，而這種耦合技術將會成為一種新的研究趨勢。參考文獻：1 閻紅，辛松林，彭德川. 花椒的氣味指紋分析技術應用與探索J.四川烹飪高等專科學校學報，2010（2）：21-24.2 邱丹丹，劉嘉，徐

17、春紅，黃軼.電子鼻及其在食品分析中應用研究進展J.糧食與油脂，2010（6）：36-38.3 張順平，張覃軼，李登峰，等.電子鼻技術在食醋識別中的應用J.傳感技術學報，2006，19（1）：104-107.4 楊建華，候宏，王磊，劉福.基于集成氣敏傳感器陣列的電子鼻系統(tǒng)環(huán)境響應特性分析J.傳感技術學報，2002（3）：197-202.5 陳曉明,馬明輝,李景明,等.電子鼻在天然蘋果香精檢測中的應用J.食品科學，2007，28（3）：261-265.作者簡介：辛松林（1981），男，遼寧大連人，工學碩士，四川烹飪高等專科學校川菜發(fā)展研究中心助理研究員，主要從事川菜產(chǎn)業(yè)化方向研究。楊妍（1981），女，安徽肥東人，工學碩士，上海雪國高榕生物技術有限公司項目主管，主要從事食用菌科技項目管理、知識產(chǎn)權管理工作。(作者簡介放首頁腳！)The Principle, Application and Prospect of Electronic NoseXin Song-lin 1 Yang Yan2(1.Sichuan Higher Institute of Cuisine, Chengdu, Sichuan,China;2.Shanghai Gaorong Group,Shanghai,China)Abstract: Aroma fingerprint analysis is