伏安电子舌研究进展

门洪，张艳平，张彩娃，温瑞霞

(东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012)

电子舌技术是模仿人体特有的酸、甜、苦、辣、咸等味觉系统研制而成的，是一种利用多传感器感测液体样品的特征响应信号，通过信号模式识别处理及专家系统学习识别，对样品进行定性或定量分析的一类新型分析测试技术设备［1］。它不同于普通的分析仪器，不仅能够得到特定成分的定性定量的结果，还可以得到整体的味觉信息［2］。目前其应用研究已经涉及到许多领域，如食品工业、环境分析、临床医学、化工处理、安全保障、航天技术和发酵工业等方面。从传感器原理角度来区分，电子舌主要有伏安电子舌、电位电子舌、声波型电子舌、光寻址型电子舌、阻抗谱型电子舌等［3］。

伏安电子舌是由瑞典Linkoping大学Winquist课题组［4］提出的(如图1)，由一组贵金属电极组成。通过在工作电极和参比电极上施以外加电压，测量辅助电极和工作电极之间的电流，再配以模式识别方法来识别不同的样本。该种电子舌具有操作简单、适应性强、敏感度高、信息量大等优点。本文主要综述了伏安电子舌的研究动态和在饮料、饮品、微生物、环境和工业等领域的应用状况。

图1 伏安电子舌(略作修改)

1 伏安电子舌原理

伏安电子舌是建立在电化学原理基础上的以贵金属裸电极(金、钯、铱等)为测量前端的分析系统［5］，通常采用电化学三电极［6］(工作电极(贵金属裸电极)、提供极化回路电流的辅助电极、参比电极)。该系统在工作电极和参比电极之间搭建一个恒电位系统，使液体体系中电压值稳定，在此电压控制下产生激励电流，并将工作电极和辅助电极间的回路电流作为检测信息。

具体测量原理是首先将脉冲设置为基准电压，然后加以脉冲电压，当Helmholz双电荷层形成后，靠近电极表面的电活化化合物就被氧化或还原，使得电流流过电极产生电容电流，这样就得到尖峰瞬时电流。当双层电容电荷被充满和电活化化合物被消耗完时，电容性电流就会衰减，直至有限的扩散性感应电流保留下来。瞬时电流的大小和形状反映了溶液中氧化还原反应、电活化化合物的数量和扩散系数［7］。通过选用不同波形的电压可以提高伏安电子舌输出电流的分辨率［8］，如使用脉冲电压可以弥补它在外加电压下会产生电流使分辨力低下的缺点。另外，还可以通过选用不同金属材料制成的工作电极来得到所测样本的进一步信息。

2 伏安电子舌的应用状况

2.1 饮料饮品的识别

2.1.1 茶的识别

茶是一种常见的饮品，但传统的感官品茶有许多的弊端，容易受到主观因素的影响而做出错误的评价。所以需要一种新的仪器来替代传统品茶方法。电子舌就是其中一个不错的选择，它可以方便快捷的对茶做出评价。

P.Ivarsson等人［9，10］研究了一种能对不同种类的茶进行区分的伏安电子舌系统。该电子舌系统采用铱电极、铂电极和铑电极，并利用主成分分析技术对循环伏安信号进行分析处理。实验结果表明大振幅的脉冲循环伏安法配合主成分分析可以区分不同种类的茶。

吴坚等人［11］提出了一种基于铜电极的循环伏安法，采用主成分分析法对绿茶(江苏碧螺春、浙江龙井、黄山毛峰，福建毛峰和浙江开化针尖)进行了分类研究，实验结果表明了方法的有效性。

王新宇等人［12］采用法国α-ASTREE电子舌对4个等级的炒青进行了质量评估，以反向神经网络(BP-ANN)为判别模型，通过主成分分析对参数进行优化，研究结果为对不同等级的茶叶识别率都达到了100%。

S.Tian等人［13］利用不同频段的大振幅脉冲循环伏安法对7种龙井茶产地进行了区分，结果分为四大区域，并且部分区域有一定程度的交叉现象。

童诚等人［14］通过浸提和冲泡两种制样的方式，利用伏安电子舌对6种茶类(绿茶、白茶、红茶、黄茶、黑茶和青茶)进行了研究，绿茶、白茶、红茶、黄茶与其他茶类之间区分良好，青茶与黑茶之间有叠加现象。

2.3.2 酒类识别

电子舌对酒类主要进行品牌的鉴定、新产品的研发、异味检测、原料检验、制酒过程管理监控等方面。

邓少平等人［15］以多频率大幅脉冲作为激发扫描信号，采用铂、金、银和钯4个电极构成传感器阵列，构建了多频脉冲电子舌，对6种不同品牌的干红葡萄酒进行了辨识，结果表明该电子舌具有检测信息量丰富、设备简单、性能稳定等特点。

S.Tian等人［13］提出了一种大振幅脉冲伏安电子舌，工作电极由铂、钛、金、镍、钯组成，采取三个不同频率不同步长的大振幅脉冲，在不同频率段内区分出了6种蒸馏酒精。

张夏宾等人［7］开发了一种基于调幅脉冲扫描方法和丝网印刷电极的电子舌系统，较好地区分了6种不同品牌的干红葡萄酒，为研制酒类质量检测仪器和酒类品质评判系统提供了新方法和新构架。张夏宾等人还研究了一种新型伏安多脉冲电子舌［16］，以多频脉冲伏安法替代常规的单频脉冲激励法，对6种不同品牌的白酒进行了检测，通过主成分分析法进行识别，结果表明该伏安电子舌能够测量出白酒的酒精度和识别出不同的制造工艺。

2.3.3 牛奶等其他饮料的识别

P.Ciose等人［17］使用具有选择性电极的传感器阵列，对五种不同品牌的牛奶进行了识别，对三种线性(K近邻法、偏最小二乘法、SIMCA法)和两种非线性(BP神经网络法、学习向量量化法)模式识别方法进行了比较研究，结果表明学习向量量化法识别性能最好。

F.Winquist［18］等人利用金、银、钯、铂等电极制成伏安电子舌，对果汁、牛奶、不含碳酸饮料进行了鉴别，并对常温下牛奶和果汁的老化过程进行了监测研究，取得了较好的效果。

利用伏安电子舌对饮品进行研究的状况，总结如表1所示。

表1 基于伏安电子舌对饮品进行研究概况

2.2 微生物的识别

食品工业等常受到细菌微生物的污染，使得食品感官品质、营养价值、生产设备受到破坏，甚至产生有毒物质，这样不仅造成经济损失，还会危及人类和动物的健康。伏安电子舌是一种快速、经济、可靠的菌类检测技术，给食品工业等带来了保障。

2.2.1 霉菌的识别

F.Winquist等人［19］利用基于脉冲伏安法的电子舌监测液体培养基中的霉菌生长情况。并采用主成分析法和偏最小二乘法处理分析数据，以气相色谱检测霉菌生长产生的麦角固醇培养基pH值变化为比照方法，结果显示该电子舌能够很好地示踪霉菌的生长。

C.Soderstrom和Winquist等人［20］采用基于脉冲伏安法的电子舌区分6种不同的微生物:一种酵母菌，两种细菌和三种霉菌。在微生物生长的迟滞期到稳定期进行测量，把电极插入麦芽膏培养基中，施加不同振幅的脉冲电压产生电流，再利用主成分分析进行分析，结果证明，该电子舌能够区分6种微生物。

C.Soderstrom等人［21］用基于伏安法和电位型的两种电子舌对4种霉菌及拜尔结合酵母进行鉴别，结果表明该电子舌系统能够有效地监控微生物的滋生，两种电子舌都能够鉴别出真菌，且两种电子舌数据的融合提高了鉴别率。同时，C.Soderstrom等人还对生长于3种不同培养基质的两种霉菌进行了区分研究，以电化学和紫外光谱及HPLC联合法为比照方法，证明了该电子舌能够很好地区分由霉菌产生的氧化还原代谢物。

2.2.2 弧菌的识别

赵广英等人［22，23］探索研究了通过伏安电子舌快速鉴定水产品多种致病性弧菌。该电子舌以多频脉冲伏安法为基础，结合主成分分析，对源自水产品的11种致病性弧菌进行区分鉴定研究，得到了最佳电极阵列和频率段组合。能够快速鉴定致病性弧菌而且也可用于其他致病菌。

2.2.3 冷却水中微生物的识别

门洪、孙建萍等研制的伏安电子舌系统，能够识别出松花江水样中的微生物(铁细菌和硫酸盐还原菌)。该系统由三电极(工作电极(金、铂、玻碳)，Ag/AgCl参比电极，铂丝辅助电极)、电化学工作站和PC机构成。采用常规脉冲伏安法和阶梯波伏安法对水样进行测试，利用PCA、PLS、ANN等模式识别技术对数据进行处理识别。实验结果表明PLS、BP神经网络的结合对铁细菌和硫酸还原菌识别效果最好［24］。

利用伏安电子舌对微生物进行研究的动态，总结如表2所示。

表2 基于伏安电子舌对微生物进行研究概况

2.3 环境检测

随着工业的快速发展，水环境监测变得越来越重要，且成为监管部门必须实施的一项监测任务。伏安电子舌为水体监测技术提供了一种选择。

2.3.1 水污染动态监测

王平、潘跃峰等人［25］研究的水污染动态监测电子舌系统，可以快速检测工业和生活污水中多种重金属离子(Zn、Cd、Pb、Cu、As、Hg、Fe)的浓度。其检测方法采用溶出伏安和光寻址电位传感器检测技术。该电子舌系统操作简单，非常适合现场检测水中重金属离子。

王平、邹绍芳［26，27］等人研究的基于微电极阵列的自动环境监测的电子舌，用于环境中有毒痕量重金属的检测。采用差分脉冲阳极溶出伏安法，分三路同时自动检测溶液中锌、福、铅、铜、锰和砷6种重金属离子的浓度。此电子舌系统具有小体积、低成本等特点，适用于环境水样中重金属浓度分布的现场连续在线测量。

门洪、王平等人［28］还研发了基于硅基底的环境监测新型电子舌，可用于在线检测锌、镉、铅、铜、铁和铬6种痕量重金属元素。该系统由一个电化学微电极阵列和两个光寻址电位传感器组成。采用方波阳极溶出伏安法检测锌、镉、铅、铜4种元素;采用光寻址电位传感器检测铁、铬2种元素。实验结果显示，此方法具有样品需求少、操作简单、灵敏度高、检测速度快等优点。

2.3.2 造纸工业废水的检测

A.Gutés等人［29］利用伏安法与流动注射法(FIA)相结合构成电子舌系统，用于检测工业造纸中产生的废水。该系统由贵金属(铂、金、铑)电极阵列组成，以大振幅脉冲伏安法为基础，结合主成分分析和神经网络方法，对废水进行了检测和识别。

利用伏安电子舌对环境检测进行研究的动态，总结如表3所示。

表3 基于伏安电子舌对环境检测进行研究概况

3 展望

伏安电子舌作为电子舌的一种，在多种领域得到了研究，为推动其开发和应用，应从以下几个方面寻求突破:

(1)传感器:研制新的味敏材料;传感器向微型化和芯片化方向发展;不同敏感机理的多传感器融合。

(2)识别方法:加强模式识别方法的比较研究和改进，优化选择识别算法。

(3)检测原理的创新:对伏安电子舌进行改进，融合新的检测方法，实现多种类型电子舌的交叉。

(4)伏安电子舌仪器智能化和小型化:研究便携、低功耗、使用方便、价格适宜、性能稳定的电子舌系统。

(5)应用领域:拓宽应用领域，达到成熟化。

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