電子鼻——多氣體檢測(cè)儀在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用
摘要：電子鼻是一臺(tái)儀器，它是由一個(gè)具有部分專(zhuān)一性的電子化學(xué)傳感器陣列和一個(gè)合適的模式識(shí)別系統(tǒng)組成，能夠識(shí)別單一的或復(fù)合的氣味，還能夠用于識(shí)別單一成分的氣體、蒸汽或其混合物。它是當(dāng)今快速發(fā)展起來(lái)的一種分析、識(shí)別和檢測(cè)復(fù)雜嗅味和大多數(shù)揮發(fā)性氣體的仿生檢測(cè)儀器。
關(guān)鍵字：電子鼻
電子鼻是一臺(tái)儀器，它是由一個(gè)具有部分專(zhuān)一性的電子化學(xué)傳感器陣列和一個(gè)合適的模式識(shí)別系統(tǒng)組成，能夠識(shí)別單一的或復(fù)合的氣味，還能夠用于識(shí)別單一成分的氣體、蒸汽或其混合物。它是當(dāng)今快速發(fā)展起來(lái)的一種分析、識(shí)別和檢測(cè)復(fù)雜嗅味和大多數(shù)揮發(fā)性氣體的仿生檢測(cè)儀器。而且電子鼻得到的信息代表樣品中全部揮發(fā)物的總體分布，而不是常規(guī)儀器的分析測(cè)得的某種或某幾種具體組成的含量。這些信息作為樣品的特征“指紋”，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境對(duì)電子鼻加以訓(xùn)練，以識(shí)別有害化學(xué)物質(zhì)和氣味，故可用于氣味監(jiān)控、鑒別產(chǎn)品的真?zhèn)、原料質(zhì)量是否合格、生產(chǎn)工藝流程運(yùn)行是否正常。
一、電子鼻在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用
在人們的生活環(huán)境中，總是會(huì)存在一些有害氣體，如H2S、SO2、CO、NO2、H2、CH4、C2H2和一些有機(jī)揮發(fā)性物質(zhì)，如苯、甲醛等。這些有毒有害氣體的存在對(duì)人體的健康有著一定的影響甚至?xí)l(fā)生爆炸，所以就需要有效地檢測(cè)這些氣體的濃度，從而把它們控制在適當(dāng)?shù)臐舛确秶畠?nèi)。而傳統(tǒng)的氣體監(jiān)測(cè)方法是其傳感器易發(fā)生氣體交叉敏感而產(chǎn)生誤報(bào)，且無(wú)法進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，但利用電子鼻則能較好地解決單個(gè)傳感器對(duì)氣體發(fā)生交叉敏感問(wèn)題，準(zhǔn)確識(shí)別出其氣體種類(lèi)和濃度。如美國(guó)環(huán)保局曾用電子鼻測(cè)定了沿海海域油船泄漏的原油，找到了肇事者。
北京康而興公司研制一款可用于對(duì)多種有毒有害氣體進(jìn)行偵檢的電子鼻，它使用對(duì)氣體相應(yīng)線性度很好的電化學(xué)傳感器和半導(dǎo)體傳感器組成的陣列設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)了對(duì)多類(lèi)氣體的定性識(shí)別后還能給出準(zhǔn)確的定量描述。
其基本組成包括：
1 硬件部分：采樣系統(tǒng)，內(nèi)含電化學(xué)傳感器和半導(dǎo)體傳感器組成的傳感器陣列氣室，信號(hào)采集電路、放大、A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)及外圍電路等。
2 軟件部分：軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，將程序分成幾個(gè)主要的功能模塊，由主程序和各個(gè)模塊子程序組成。子程序模塊主要包括硬件系統(tǒng)的初始化和功能子程序模塊，且可以根據(jù)需要添加相應(yīng)的功能。象信號(hào)的預(yù)處理、模式識(shí)別等都編程為功能子程序模塊固化在單片機(jī)中，在使用時(shí)直接調(diào)用。
當(dāng)出現(xiàn)有毒有害氣體時(shí)，氣體與傳感器陣列響應(yīng)，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，利用模式識(shí)別數(shù)據(jù)處理程序?qū)υ擁憫?yīng)譜進(jìn)行處理，可以準(zhǔn)確的分辨出氣體的類(lèi)別，并得到氣體的濃度，這種方法快速、準(zhǔn)確，檢測(cè)范圍大，具有很廣泛的應(yīng)用前景。
與普通氣體檢測(cè)儀相比，它具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)：
⑴樣品不需要預(yù)先處理，能準(zhǔn)確快速偵檢，不易受其他雜氣的影響？垢蓴_能力強(qiáng)，體積小，操作簡(jiǎn)單。
⑵在一臺(tái)儀器上，能自動(dòng)分辨、測(cè)量幾十種不同氣體，即可定性又可定量測(cè)量。
⑶運(yùn)用了特定模式識(shí)別計(jì)算方法及專(zhuān)用氣體數(shù)據(jù)庫(kù)，且系統(tǒng)擴(kuò)充性強(qiáng)？赏ㄟ^(guò)增加檢測(cè)氣體特性圖譜、擴(kuò)充專(zhuān)用氣體的數(shù)據(jù)庫(kù)，使儀器的識(shí)別氣體種類(lèi)的能力不斷增強(qiáng)，可達(dá)到識(shí)別并測(cè)量幾十種甚至上百種氣體的能力。
⑷能自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可與上位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程控制。
二、電子鼻的原理
1． 工作原理
電子鼻是模擬生物嗅覺(jué)系統(tǒng)。由生物嗅覺(jué)系統(tǒng)的神經(jīng)生理結(jié)構(gòu)和嗅覺(jué)的生物化學(xué)機(jī)理的理解決定了電子鼻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。在人和動(dòng)物的鼻腔內(nèi)有大約10億多個(gè)嗅覺(jué)氣泡。當(dāng)有氣味物質(zhì)的分子吸附上時(shí)，會(huì)使細(xì)胞膜電位發(fā)生變化，產(chǎn)生不同的響應(yīng)。這些復(fù)雜的響應(yīng)信號(hào)先通過(guò)嗅泡這種特殊細(xì)胞預(yù)先處理，然后由神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到大腦嗅覺(jué)中樞，再經(jīng)過(guò)復(fù)雜的思維識(shí)別，從而確定氣體的種類(lèi)和濃度。像人腦的識(shí)別功能是由孩提時(shí)代至長(zhǎng)大過(guò)程中不斷與外界接觸經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)、記憶、積累、總結(jié)而形成的，當(dāng)再嗅到氣味時(shí)，信號(hào)經(jīng)嗅泡處理后送入大腦嗅覺(jué)中樞來(lái)判別給出結(jié)果。由此可以判斷出人和動(dòng)物的嗅覺(jué)系統(tǒng)中存在著初級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元、二級(jí)神經(jīng)元（嗅泡）和大腦嗅覺(jué)中樞三層結(jié)構(gòu)。
目前較成熟的電子鼻主要由三大部分組成：傳感器陣列、信號(hào)預(yù)處理電路、計(jì)算機(jī)模式識(shí)別系統(tǒng)。其中傳感器陣列相當(dāng)于人的嗅覺(jué)細(xì)胞，調(diào)離電路如同嗅泡，模式識(shí)別系統(tǒng)是整個(gè)電子鼻的核心相當(dāng)于大腦嗅覺(jué)中樞。其判別流程大致為：某種氣味呈現(xiàn)在一種活性材料的傳感器面前，首先氣味分子被電子鼻的傳感器吸附，產(chǎn)生響應(yīng)，傳感器將響應(yīng)信號(hào)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)譜作為該氣味的廣譜響應(yīng)譜。為實(shí)現(xiàn)氣味的定量或定性分析，必須將傳感器的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理（如濾波去干擾、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)分不同的氣味，利用傳感器陣列對(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)混合氣體的定性、定量分析。電子鼻有兩種輸出方式：①直接輸出識(shí)別或分類(lèi)結(jié)果，適用于完全用電子鼻來(lái)做決策的情況。②輸出被測(cè)物的數(shù)字指紋（特征值），供人或分布電子鼻系統(tǒng)中的主機(jī)系統(tǒng)作為參考依據(jù)。我們可以根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的輸出。下面是電子鼻系統(tǒng)與動(dòng)物的嗅覺(jué)系統(tǒng)的比較：
電子鼻檢測(cè)系統(tǒng)：
檢測(cè)氣體→傳感器陣列→預(yù)處理電路→模式識(shí)別→判別結(jié)果
嗅覺(jué)系統(tǒng)：
檢測(cè)氣體→嗅覺(jué)細(xì)胞→嗅泡→嗅覺(jué)中樞→判別結(jié)果
2． 基本組成
1）傳感器陣列
傳感器陣列是電子鼻系統(tǒng)的基礎(chǔ)，合適的傳感器陣列對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。一般是由具有廣譜響應(yīng)特性、較大的交叉靈敏度以及對(duì)不同氣體具有不同靈敏度的氣敏元件組成。它相當(dāng)于初級(jí)嗅覺(jué)神經(jīng)元，可以對(duì)被測(cè)氣體（包括干擾氣體）作出響應(yīng)。然后結(jié)合模式識(shí)別技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的選擇性并提高測(cè)量精度的。
在運(yùn)用到具體的實(shí)際應(yīng)用時(shí)電子鼻選擇傳感器陣列的要求有以下幾個(gè)方面：
⑴在任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳感器陣列的尺寸都是最重要的。
⑵檢測(cè)過(guò)程是可逆的，器件應(yīng)該性能穩(wěn)定，工作可靠，重復(fù)性好？紤]到有時(shí)需要更換傳感器，所以更加要求傳感器的一致性。
⑶具有光譜響應(yīng)的特性，對(duì)于不同種類(lèi)的氣體，響應(yīng)程度不同。考慮到在生物嗅覺(jué)系統(tǒng)中，一個(gè)感受細(xì)胞可能不同程度地對(duì)十多種不同的氣味敏感，顯示出一種很寬的響應(yīng)譜。而系統(tǒng)的選擇性是通過(guò)整合來(lái)自多個(gè)交叉敏感的感受細(xì)胞的信號(hào)得到的。我們?cè)跇?gòu)造傳感器陣列時(shí)，盡量使各氣敏器件或單元有一定的交叉敏感性。這樣不僅降低了對(duì)傳感器的選擇性的要求，而且也有利于提高陣列的效率。
⑷器件的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間短，這一點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集階段尤為重要。
目前常用的氣敏傳感器有金屬氧化物半導(dǎo)體、電化學(xué)類(lèi)和光學(xué)類(lèi)（如光纖）氣敏傳感器、導(dǎo)電聚合物、場(chǎng)效應(yīng)（如MIS器件）類(lèi)、質(zhì)量類(lèi)（如QCM，SAW器件）等。一個(gè)陣列中可以采用同種傳感器通過(guò)選用不同敏感材料或不同工作溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)交叉響應(yīng)，也可以采用不同種類(lèi)的傳感器混雜使用。
2）數(shù)據(jù)處理及模式識(shí)別系統(tǒng)
數(shù)據(jù)處理及模式識(shí)別系統(tǒng)是人類(lèi)模擬自身模式識(shí)別與分類(lèi)能力設(shè)計(jì)出的計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，它對(duì)傳感器采集的輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚，并作出相?yīng)的決策，以獲得混合氣體的組分信息和濃度信息。傳感器陣列對(duì)氣味的響應(yīng)靈敏度僅部分取決于傳感器的質(zhì)量，信號(hào)處理方法的選擇也有十分重要的作用，它來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的識(shí)別功能。
當(dāng)被測(cè)氣體進(jìn)入傳感器陣列室與傳感器短時(shí)間接觸，氣敏傳感器陣列產(chǎn)生響應(yīng)，有傳感器陣列產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)電子線路濾波放大及A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)輸入微處理器，對(duì)該響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，即特征提取，就是要從響應(yīng)曲線取出有用的信息，構(gòu)成在模式空間表達(dá)陣列響應(yīng)模式的特征矢量。信號(hào)預(yù)處理的方法根據(jù)實(shí)際使用的氣敏傳感器類(lèi)型、模式識(shí)別方法和最終識(shí)別任務(wù)進(jìn)行擇取。通常，電子鼻內(nèi)某一傳感器對(duì)氣味的響應(yīng)為一時(shí)變信號(hào)。但到目前為止，很少有人利用傳感器的瞬態(tài)信息進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，都利用傳感器的穩(wěn)態(tài)信息進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理。其處理方法有差分法、相對(duì)差分法、分式差分法、對(duì)數(shù)法、傳感器歸一法、陣列歸一法等方法。
目前電子鼻中常用的模式識(shí)別方法分為統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩大類(lèi)。統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別采用經(jīng)典的多變量統(tǒng)計(jì)分類(lèi)方法對(duì)來(lái)自傳感器陣列的信息進(jìn)行處理。主要包括k-近鄰法（k-NN）、主成分分析（Principal Component Analysis ,PCA）、線性判別法（Linear Discriminant Analysis,LDA）、聚類(lèi)分析（Cluster Analysis,CA）、偏最小二乘法等。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊理論是近些年發(fā)展起來(lái)的，包括反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP-ANN）、學(xué)習(xí)向量量化網(wǎng)絡(luò)（LVQ）以及自組織映射（SOM）等。和傳統(tǒng)的模式識(shí)別技術(shù)相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性處理能力，良好的容錯(cuò)性和很強(qiáng)的適應(yīng)能力，網(wǎng)絡(luò)一旦被訓(xùn)練好后具有快速操作性能，但網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要大量的數(shù)據(jù)和時(shí)間。原則上很多統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法都可以在電子鼻中應(yīng)用，而且人們也已經(jīng)進(jìn)行了各種不同的嘗試。
隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)展和人對(duì)嗅覺(jué)過(guò)程的深入了解，電子鼻的功能也將日益增強(qiáng)，越來(lái)越多地取代生產(chǎn)和生活過(guò)程中人鼻子的作用，取得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
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