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(lèi)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?,?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(lèi)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(zhuān)門(mén)召開(kāi)了化學(xué)傳感器信息處理高級(jí)專(zhuān)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(zhuān)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(zhuān)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(lèi)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(lèi)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?chē)】导?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
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