电子鼻传感技术及应用研究进展

2017-01-29吴克

山西青年 2017年5期

关键词：气敏电子鼻传感

吴克

西南科技大学应用技术学院，四川绵阳 621010

电子鼻传感技术及应用研究进展

吴克

西南科技大学应用技术学院，四川绵阳 621010

本文简述了电子鼻技术的发展史、工作原理和主要类型，分析了电子鼻在食品、烟草、医学和环境监测方面的应用，最后对电子鼻传感技术存在的问题和发展方向进行了探讨。

电子鼻；传感器；应用研究

在食品安全、环境质量受到高度重视的今天，农产品和环境的检测技术被提出了更高的要求。目前，较有权威的检测大都来源于相关检测机构的仪器分析及其出具的报告，但是这种方法耗时长、成本高。而另一方面，感官评价的主观性强、易受外界的影响。随着新材料、传感器和信息技术的发展，电子鼻作为一种新兴仿生检测技术逐渐取得了较快的发展，并广泛应用在食品、医学、环境等方面的检测。

一、电子鼻传感技术概述

(一)组成及原理

电子鼻系统包括气体采样系统、气敏传感器阵列、信号预处理、模式识别和数据显示五大部分组成。气味与传感器中的气敏材料发生作用，由传感器将气体信号转变为电信号，信号经过处理(如噪音消除、特征提取、信号放大等)，再通过合适的识别模式进行分析，最后信号输出。不同的气体通过和敏感材料的反应会产生其独有的特征谱图，可用于定性分析。在电子鼻系统中，最重要的部分是气敏传感器阵列，因为每种传感器都对部分气体具有选择性，所以通过不同传感器的组合，能够实现对多种气体的检测。

(二)分类

基于传感器阵列的重要地位，根据传感器中敏感材料的不同，将气敏传感器分为4大类：电导型气敏传感器，包括金属氧化物半导体传感器和有机聚合物膜传感器；质量敏感型气敏传感器，包括石英晶体微天平传感器和表面声波传感器；光纤气敏传感器，利用光谱变化原理；金属氧化物半导体场效应传感器，利用电荷功耗作用。

1.金属氧化物半导体气敏传感器。金属氧化物，如ZnO、Fe2O3等属于N型半导体材料，其表面的空穴易在高温下被CO、H2S、H2等还原性气体还原，膜表面得到电子导致其电导率发生变化，其变化与气体浓度有关，因此可根据敏感材料的电导率变化检测出气体浓度。研究发现掺杂金、铂等贵金属能够降低该类气敏传感器的工作温度。史波林等利用Fox4000型电子鼻和软独立模型分析法建立了辨别茶叶等级、树种和产地的3个智能模型。

2.导电聚合物气敏传感器。通过掺杂等方法能够使聚合物的电导率数值处在导体和半导体之间。在吸附气体后，导电聚合物的分子链溶胀或会发生其他某种反应，分子链的电子密度改变，进而改变其电导率，并且电导率变化与气体种类及浓度相关。这类传感器常用于检测SO2、CO2等大气气体以及醇类、芳香烃卤代烃等有机溶剂蒸汽，此外，导电聚合物气敏传感器还应用于食品、包装等方面，例如区分微生物群落、检测肉类腐败程度等。

3.质量敏感型气敏传感器。通过测量压电材料在交变电场作用下产生的声波信号的参数变化来分析检测物。分为体声波器件和表面声波器件两种，通过分析频率或波速等参数的变化可以得到待测物的浓度等相关信息。

4.场效应传感器。当气体作用于敏感材料表面或敏感膜时漏源电流变化，使传感器性能发生变化，其变化量与气体浓度有关。场效应传感器可以通过涂敷不同的薄膜实现对多种气体的检测。这类传感器的性能与膜厚度、催化剂种类、工作温度紧密相关。可用于NO2、CH4、CO2以及有机气体的检测，但是由于种类单调等缺点，应用较不广泛。

5.光纤气敏传感器。其最直接的测量方法是测量特定频率范围内气体吸光度的变化，还可以用颜色做指示信息测量气体吸光度变化，实现了气体信号的可视化，还可定量检测有毒气体。光纤气敏传感器具有较高的专一性、灵敏度和较强的抗噪能力，是近几年发展最快的一种传感器[1]。

二、电子鼻传感技术的应用

(一)食品方面

电子鼻传感技术在食品的原料检测、品质分类和评价、生产条件控制等方面的应用极为广泛，可以检测肉、粮食、乳制品、水产品等的新鲜度，可以对酒类的品牌、酒龄、产地等进行识别判断，还可以对果蔬的农药残留、成熟度和贮藏效果进行分析[2]。肉类中的蛋白质、脂肪和碳水化合物会在储存过程中分解并产生胺类等难闻气体，Tian等利用这一原理，使用电子鼻检测了猪肉的新鲜度，并以挥发性盐基氮做为对比，结果表明电子鼻可以准确地判断猪肉的货期，准确率为91%。利用电子鼻技术结合概率神经网络和主成分分析法可以辨别不同酒龄的葡萄酒。

(二)烟草方面

烟草的品质判定主要由经过专业训练的专职评烟师的感官评定进行，不仅投入大、周期长，还有一定的主观性。因此，电子鼻技术被广泛应用于烟草的检测和识别。通过电子鼻中的传感器阵列与模式识别法、主成分分析法、线性判别分析法等分析方法的结合，可以识别不同品牌、国家以及制作流程的香烟、卷烟和烤烟，较多实验研究证明电子鼻是区分、识别不同烟草的有效方法。

(三)医学方面

肺癌患者呼出的气体中含有20多种特征性的有机挥发性气体。由于肺癌细胞的早期癌变没有明显形变，传统的检测手段难以发现细胞的异变。但是癌变细胞的代谢产物中有特殊气体，因此电子鼻技术可以用来初步诊断肺癌。糖尿病的并发症之一是酮酸中毒，即患者血液中含有酮酸体。酮酸体的代谢产物丙酮可以随呼吸排出体外，电子鼻正是利用这一原理实现了对糖尿病的早期无损诊断。Mohamed等用电子鼻对尿样的检测结果证明电子鼻技术对糖尿病的识别率达96%。

(四)环境监测

电子鼻在环境监测中的应用主要包括对室内空气、室外空气质量的监测、污染气体排放源的直接检测等方面。环境监测与人类的生活息息相关，污水处理厂、养殖场、垃圾站、装修污染等在严重影响着人类的生存环境，对这些污染来源的检测和监管对保护生存环境至关重要。