電子鼻

　　電子鼻

　　電子鼻是利用氣體傳感器陣列的響應(yīng)圖案來(lái)識(shí)別氣味的電子系統(tǒng)，它可以在幾小時(shí)、幾天甚至數(shù)月的時(shí)間內(nèi)連續(xù)地、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)特定位置的氣味狀況。

　　電子鼻主要由氣味取樣操作器、氣體傳感器陣列和信號(hào)處理系統(tǒng)三種功能器件組成。電子鼻識(shí)別氣味的主要機(jī)理是在陣列中的每個(gè)傳感器對(duì)被測(cè)氣體都有不同的靈敏度，例如，一號(hào)氣體可在某個(gè)傳感器上產(chǎn)生高響應(yīng)，而對(duì)其他傳感器則是低響應(yīng)，同樣，二號(hào)氣體產(chǎn)生高響應(yīng)的傳感器對(duì)一號(hào)氣體則不敏感，歸根結(jié)底，整個(gè)傳感器陣列對(duì)不同氣體的響應(yīng)圖案是不同的，正是這種區(qū)別，才使系統(tǒng)能根據(jù)傳感器的響應(yīng)圖案來(lái)識(shí)別氣味。

　　電子鼻的核心器件是氣體傳感器。氣體傳感器根據(jù)原理的不同，可以分為金屬氧化物型、電化學(xué)型、導(dǎo)電聚合物型、質(zhì)量型、光離子化型等很多類型。目前應(yīng)用最廣泛的是金屬氧化物型。

　　電子鼻的應(yīng)用場(chǎng)合包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)（如食品、煙草、發(fā)酵產(chǎn)品、香精香料等）、醫(yī)學(xué)診斷、爆炸物檢測(cè)等。

　　工作原理

　　電子鼻主要由氣敏傳感器陣列、信號(hào)預(yù)處理和模式識(shí)別三部分組成。某種氣味呈現(xiàn)在一種活性材料的傳感器面前，傳感器將化學(xué)輸入轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由多個(gè)傳感器對(duì)一種氣味的響應(yīng)便構(gòu)成了傳感器陣列對(duì)該氣味的響應(yīng)譜。顯然，氣味中的各種化學(xué)成分均會(huì)與敏感材料發(fā)生作用，所以這種響應(yīng)譜為該氣味的廣譜響應(yīng)譜。為實(shí)現(xiàn)對(duì)氣味的定性或定量分析，必須將傳感器的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理(消除噪聲、特征提取、信號(hào)放大等)后采用合適的模式識(shí)別分析方法對(duì)其進(jìn)行處理。理論上，每種氣味都會(huì)有它的特征響應(yīng)譜，根據(jù)其特征響應(yīng)譜可區(qū)分小同的氣味。同時(shí)還可利用氣敏傳感器構(gòu)成陣列對(duì)多種氣體的交叉敏感性進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆治龇椒ǎ瑢?shí)現(xiàn)混合氣體分析。

　　電子鼻正是利用各個(gè)氣敏器件對(duì)復(fù)雜成分氣體都有響應(yīng)卻又互不相同這一特點(diǎn)，借助數(shù)據(jù)處理方法對(duì)多種氣味進(jìn)行識(shí)別，從而對(duì)氣味質(zhì)量進(jìn)行分析與評(píng)定。

　　電子鼻識(shí)別的主要機(jī)理是在陣列中的每個(gè)傳感器對(duì)被測(cè)氣體都有不同的靈敏度，例如，一號(hào)氣體可在某個(gè)傳感器上產(chǎn)生高響應(yīng)，而對(duì)其他傳感器則是低響應(yīng)；同樣，二號(hào)氣體產(chǎn)生高響應(yīng)的傳感器對(duì)一號(hào)氣體則不敏感，歸根結(jié)底，整個(gè)傳感器陣列對(duì)不同氣體的響應(yīng)圖案是不同的，正是這種區(qū)別，才使系統(tǒng)能根據(jù)傳感器的響應(yīng)圖案來(lái)識(shí)別氣體。

　　電子鼻的工作可簡(jiǎn)單歸納為：傳感器陣列－信號(hào)預(yù)處理－神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和各種算法－計(jì)算機(jī)識(shí)別(氣體定性定量分析）。從功能上講，氣體傳感器陣列相當(dāng)于生物嗅覺(jué)系統(tǒng)中的大量嗅感受器細(xì)胞，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)識(shí)別相當(dāng)于生物的大腦，其余部分則相當(dāng)于嗅神經(jīng)信號(hào)傳遞系統(tǒng)。

　　發(fā)展簡(jiǎn)史

　　1964年，Wilkens和Hatman利用氣體在電極上的氧化一還原反應(yīng)對(duì)嗅覺(jué)過(guò)程進(jìn)行了電子模擬，這是關(guān)于電子鼻的最早報(bào)道。

　　1965年，Buck等利用金屬和半導(dǎo)體電導(dǎo)的變化對(duì)氣體進(jìn)行了測(cè)量，Dravieks等則利用接觸電勢(shì)的變化實(shí)現(xiàn)了氣體的測(cè)量。

　　然而，作為氣體分類用的智能化學(xué)傳感器陣列的概念直到1982年由英國(guó)Warwick大學(xué)的Persuad等人提出，他們的電子鼻系統(tǒng)包括氣敏傳感器陣列和模式識(shí)別系統(tǒng)兩部分。其中傳感器陣列部分山三個(gè)半導(dǎo)體氣敏傳感器組成。這一簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可以分辨按樹(shù)腦、玫瑰油、丁香牙油等揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)的氣味。隨后的5年，電子鼻研究并沒(méi)有引起國(guó)際上學(xué)術(shù)界的廣泛重視。

　　1987年，在英國(guó)Warwick大學(xué)召開(kāi)的第八屆歐洲化學(xué)傳感研究組織年會(huì)是電子鼻研究的轉(zhuǎn)機(jī)。在本次會(huì)議上，以Gardner為首的Warwick大學(xué)氣敏傳感研究小組發(fā)表了傳感器在氣體測(cè)量方而應(yīng)用的論文，重點(diǎn)提出了模式識(shí)別的概念，引起了學(xué)術(shù)界廣泛的興趣。

　　1989年，北大西洋公約研究組織專門召開(kāi)了化學(xué)傳感器信息處理高級(jí)專題討論會(huì)，致力于人工嗅覺(jué)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)這兩個(gè)專題。1991年8月，北大西洋公約研究組織在冰島召

　　開(kāi)了第一次電子鼻專題會(huì)議。電子鼻研究從此得到快速發(fā)展。

　　1994年，Gardne:發(fā)表了關(guān)于電子鼻的綜述性文章，正式提出了“電子鼻”的概念，標(biāo)志著電子鼻技術(shù)進(jìn)入到成熟、發(fā)展階段。

　　1994年以來(lái)，歷經(jīng)十余年的發(fā)展，電子鼻的研究取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展。目前對(duì)于電子鼻的研究主要集中在傳感器及電子鼻硬件的設(shè)計(jì)、模式識(shí)別及其理論、電子鼻在食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、生物領(lǐng)域的應(yīng)用、電子鼻與生物系統(tǒng)的關(guān)系等方而。其中傳感器及電子鼻硬件的設(shè)計(jì)和電子鼻在食品及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是電子鼻研究中的熱點(diǎn)。

　　研究進(jìn)展

　　英國(guó)柴郡克魯城鎮(zhèn)的歐斯米泰克公司成功地開(kāi)發(fā)出了電子鼻，試驗(yàn)表明，它能“嗅”出侵蝕病人皮膚傷口的細(xì)菌，提醒醫(yī)生及時(shí)采取相應(yīng)措施。

　　他研究的電子鼻是由32個(gè)不同的有機(jī)高分子感應(yīng)器組成的矩陣，對(duì)各種揮發(fā)性化合物散發(fā)的氣味十分敏感，化合物不同，則反應(yīng)不同。通常，細(xì)菌生長(zhǎng)時(shí)會(huì)發(fā)出化學(xué)氣味，電子鼻接觸氣味后，每個(gè)感應(yīng)器的電阻會(huì)各自發(fā)生變化。由于每個(gè)感應(yīng)器對(duì)應(yīng)一種不同的化學(xué)物質(zhì)，因此32種各不相同的電阻變化組成的“格式”便分別代表了不同氣味的“指紋”。

　　試驗(yàn)表明，電子鼻只需要數(shù)小時(shí)便可發(fā)現(xiàn)是否有細(xì)菌存在。而過(guò)去采用實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)的方法，通常1至3天才能得到結(jié)果。

　　應(yīng)用

　　研究人員相信電子鼻將可能對(duì)尋找傷口MRSA和其他細(xì)菌的方式帶來(lái)革命性變化。MRSA是指這樣一類細(xì)菌，它們對(duì)日益普及的抗生素療法具有抵抗能力。此外，電子鼻技術(shù)還可以用于檢查其他部位的感染，幫助病人早發(fā)現(xiàn)，早治療。

　　在1993年，Pearce等人就首次把傳感器應(yīng)用在啤酒檢測(cè)上，實(shí)驗(yàn)室制造的由12個(gè)有機(jī)導(dǎo)電聚合物傳感器組成的系統(tǒng)檢測(cè)了3種近似的商品酒，有2種是釀造后再貯存的啤酒，還有1種是淡色啤酒，結(jié)果表明：這3種啤酒很容易被鑒別，而且還很快鑒別出一種人為感染的啤酒和未被感染的酒。

　　特點(diǎn)

　　電子鼻技術(shù)響應(yīng)時(shí)間短、檢測(cè)速度快，不像其它儀器，如氣相色譜傳感器、高效液相色譜傳感器需要復(fù)雜的預(yù)處理過(guò)程；其測(cè)定評(píng)估范圍廣，它可以檢測(cè)各種不同種類的食品；并且能避免人為誤差，重復(fù)性好；還能檢測(cè)一些人鼻不能夠檢測(cè)的氣體，如毒氣或一些刺激性氣體，它在許多領(lǐng)域尤其是食品行業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。并且目前在圖形認(rèn)知設(shè)備的幫助下，其特異性大大提高，傳感器材料的發(fā)展也促進(jìn)了其重復(fù)性的提高，并且隨著生物芯片、生物技術(shù)的發(fā)展和集成化技術(shù)的提高及一些納米材料的應(yīng)用，電子鼻將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。

　　其它

　　研究發(fā)現(xiàn)，美國(guó)航天局用來(lái)監(jiān)測(cè)國(guó)際空間站和航天飛機(jī)內(nèi)某種氣體成分的電子鼻，還可以用來(lái)檢測(cè)大腦癌細(xì)胞。這種名為“Enose”的電子鼻是由美國(guó)航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的，設(shè)計(jì)目的是用它探測(cè)航天飛機(jī)和國(guó)際空間站出現(xiàn)的微量的氨滲漏問(wèn)題。一個(gè)由神經(jīng)外科、癌癥以及航天領(lǐng)域?qū)＜医M成的研究小組，在利用這種電子鼻研究大腦癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移時(shí)發(fā)現(xiàn)，電子鼻能夠區(qū)分健康細(xì)胞和癌細(xì)胞的不同“味道”，從而使醫(yī)務(wù)人員能準(zhǔn)確判定癌細(xì)胞群的具體位置，避免其與周圍健康細(xì)胞發(fā)生混淆。

　　檢測(cè)癌癥

　　以色列科學(xué)家研發(fā)出“電子鼻”（electronic nose），只要通過(guò)簡(jiǎn)單的呼吸測(cè)試，就可以查出罹患了肺、乳腺、腸和前列腺癌的病人。研究小組發(fā)現(xiàn)，這種檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)改變的傳感器不僅能分辨出健康人和惡性腫瘤病患的呼吸，還能查出這四種常見(jiàn)的腫瘤。雖然還需要更多工作來(lái)完善這項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)，但初步成功已經(jīng)給開(kāi)發(fā)一種便宜、易于使用和攜帶的早期癌癥診斷技術(shù)帶來(lái)了希望。以色列理工學(xué)院的庫(kù)藤說(shuō)：“如果能通過(guò)大規(guī)模試驗(yàn)證實(shí)早期研究的成果，呼吸檢測(cè)將和成像技術(shù)一樣，變成早期癌癥診斷的方便手段。”庫(kù)藤和同事對(duì)177人——包括健康者和不同癌癥的患者進(jìn)行了呼吸檢測(cè)，要查出癌細(xì)胞生長(zhǎng)時(shí)其表層散發(fā)出的不同化學(xué)物質(zhì)。他們的研究發(fā)表在英國(guó)《癌癥》雜志上。而該研究所去年就發(fā)現(xiàn)，用黃金納米粒子制造的傳感器，能夠通過(guò)呼吸測(cè)試查出肺癌