电子鼻的原理、应用现状及前景展望.doc

电子鼻的原理、应用现状及前景展望 辛松林1 杨妍2 （1.四川烹饪高等专科学校，四川 成都 610072；2上海雪国高榕生物技术有限公司，上海 奉贤201401） 摘要：气味指纹检测技术又被称为电子鼻技术，是近十年来快速发展起来的一个新兴事物。本文综述了电子鼻的检测原理、仪器组成、特点、应用现状及前景，有助于各界对电子鼻更全面、深入的了解和认识。 关键词：电子鼻；气味；传感器 电子鼻是一种气味指纹检测方法，其检测结果所显示的图谱又被称为气味指纹图谱，是近十年来快速发展起来的一个新兴事物，主要利用气味传感器、数据处理设备和分析软件组成的装置，它以气体为分析对象，通过模拟人嗅觉Neotronics system和AromaScansystem、法国Alpha MOS系统、日本Frgaro、中国台湾Smell和KeenWeen等，它不仅可以对不同样品的气味信息进行简单的比对分析，而且可以通过采集标样信息建立数据库，利用化学计量学的统计分析方法对未知样品进行定性和定量分析，具有快速、便捷的特点。 1.电子鼻的检测原理 l994年，英国Warwiek大学Gardner和Southampton大学Bartlett使用“电子鼻”这一术语并定义为“电子鼻是一种由具有部分选择性化学传感器阵列和适当模式识别系统组成、能识别简单或复杂气味仪器” 。电子鼻又称气味扫描仪，在检测时充分发挥其客观性、可靠性和重现性等优点，主要用以识别、分析、检测一些会挥发成分。 1.1仪器组成 电子鼻检测装置主要由传感器、计算机、进样装置、气体处理装置所组成。在进行气味分别处理过程中，其核心部件为：气敏传感器阵列、运算放大器等电子线路、电子计算机。电子鼻工作原理是模拟人的嗅觉形成过程一种技术应用。人的嗅觉系统由嗅觉细胞、嗅觉神经网络(包括多个嗅觉神经元)和大脑组成。气敏传感器作为电子鼻感知气味的基本元件相当于人嗅觉系统嗅觉细胞，将多个具有不同选择性气敏传感器组成阵列，利用其对多种气体交叉敏感性，可通过不同气味分子在其表面产生作用转化为可测物理信号组。而运算放大器等电子线路和电子计算机就相当于人的大脑，信号预处理单元对信号进行特征提取后，信号进入模式识别单元接受进一步处理从而得出混合气体组成成分和浓度。因智能气敏传感器阵列系统装有不同类型传感器，所以能模拟出类似鼻子复杂判断识别系统。另外，在建立数据库基础上，传入气体组分经信号分析后与存储于数据库中该种气体图案进行比较鉴定后，就能快速进行系统化、科学化气味监测、鉴别、判断和分析 1.1.1气敏传感器阵列 气敏传感器阵列是用于对气味进行捕捉和检测的气敏传感器，相当于初级嗅觉神经元。气敏传感器的材料为金属氧化物、高分子聚合物材料、压电材料等制成，由具有广谱响应特性，交叉灵敏度较大，对不同气体灵敏度不同等特点。气敏传感器与人民生活、生产活动关系最密切，因而引起很多人的重视和兴趣。目前，气敏传感器种类较多，已开发出了氧化物半导体气敏传感器、固体电解质气敏传感器、有机半导体气敏传感器、石英振子气敏传感器、场效应气敏传感器、热催化气敏传感器、表面声波气敏传感器、光学气体传感器等8种形式，其中氧化物半导体和固体电解质气敏传感器是主流产品，它们的产量最大、应用最广。其它各种气敏传感器占有的市场份额较小。 1.1.2运算放大器等电子线路 运算放大器是对信号进行数学运算的放大电路，它曾是模拟计算机的基础部件，因而得名。采用集成电路工艺制做的运算放大器，除保持了原有的很高的增益和输入阻抗的特点之外，还具有精巧、廉价和可灵活使用等优点，因而在有源滤波器、开关电容电路、数-模和模-数转换器、直流信号放大、波形的产生和变换，以及信号处理等方面得到十分广泛的应用。如在一些自动控制系统中，首先要把被控制的非电量（如温度、气味、转速、压力、流量、照度等）用传感器转换为电信号，再与给定量比较，得到一个微弱的偏差信号。因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构，所以需要把这个偏差信号放大到需要的程度，再去推动执行机构或送到仪表中去显示，从而达到自动控制和测量的目的。运算放大器等电子线路，相当于二级嗅觉神经元，具有对初级神经元传递过来的信息进行调节、抑制功能。 1.1.3电子计算机 电子计算机相当于人或动物的大脑，能够自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理与加工。 除了这些硬件外，对嗅觉信号进行处理判断的分析软件也同样重要。它的主要内容是模式识别技术，在各种电子鼻研究中，用过多种模式识别技术，如多变量模式识别法神经网络模式识别和模糊集合理论。 2.电子鼻的特点 2.1装置特点 电子鼻用于气味检测过程中通常需要用到多个不同类型的气敏传感器，一般来说，传感器数量越多，对气味的检测越准确，相应的对气味的分析过程也越复杂，对计算结果的处理要求