电子鼻技术

关键　 张小丽

摘 要：电子鼻是一种实现仿生嗅觉的电子系统，其概念由1994年发表的关于电子鼻的综述性文章中正式提出，目前在食品工业、烟草行业、中药行业、医学行业、环境监测、军事等领域都开展了研究和应用，并展现出了其独特的优点。文章介绍了电子鼻的相关概念、工作原理和应用现状。

关键词：电子鼻，仿生嗅觉，气敏传感器

中图分类号：N04；TP212；TP274 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0137-03

Introduction of Electronic Nose

GUAN Jian ZHANG Xiaoli

Abstract：Electronic nose （enose） is an electronic system of bionic olfaction. The concept of electronic nose was formally proposed in review articles published by Gardner in 1994. Electronic nose has been widely studied and applied in many areas， including food industry， tobacco industry， Chinese medicine industry， medical industry， environmental monitoring and military field， and been presented its unique characteristic nowadays. This paper introduces the concept， the working principle and applications of enose.

Keywords：electronic nose，bionic olfaction，gas sensor

收稿日期：2014-06-10

作者简介：关键（1982—），女，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心审查员，从事专利审查工作。通信方式：guanjian@sipo.gov.cn。

引 言

电子鼻是一种实现仿生嗅觉的电子系统，也被称为智能气味传感器、气味指纹检测仪、气味扫描仪、嗅觉模拟器。它综合了化学和计算机等多个学科中的应用模式识别技术和气体传感器阵列来模拟哺乳动物的嗅觉过程，是一种电子嗅觉传感技术。电子鼻凭借其在气味辨别上的快速、无损、智能、客观、准确的特点，在多个领域中起着重要的作用，尤其在与人们息息相关的食品卫生安全领域，已经展现出其独特的优越性。为了使读者对电子鼻技术有更深入和广泛的了解，下面笔者就电子鼻技术的相关概念和技术原理进行简单的介绍。

一 电子鼻的起源和概念

早在1964年，就有学者利用气体在电极上的氧化-还原反应对人类的嗅觉过程进行了电子模拟[1]，这是关于电子鼻的最早设想。1994年，英国学者正式提出“电子鼻（electronic nose）”的概念：“电子鼻是由有选择性的电化学传感器阵列和适当的模式识别方法组成的仪器，能识别简单和复杂的气味”[2]。

二 电子鼻的构成和工作原理

典型的电子鼻主要由气敏传感器阵列、信号处理系统和模式识别系统三大部分组成，其工作原理在于模拟人类的嗅觉过程：人类的基因决定了人类具有相当数量的嗅觉受体细胞，不同的嗅觉受体细胞能够探测到相应的气味物质，其获取的信息通过嗅觉细胞神经网络传输到人类大脑的气味感知部分，大脑感知气味受体信息并与对应的气味模式对应，从而对气味做出判断。简单地说，电子鼻的工作原理是利用传感器阵列中不同传感器对不同气体的敏感度，来区别其所“嗅”到的气体，相当于嗅觉细胞；之后通过信号处理系统，将其所“嗅”到的气体进行处理并输出，相当于嗅觉细胞神经网络；然后进一步通过预先的“学习和训练”，即模式识别来对该气体的气味做出判断，相当于人类大脑的感知系统。以下分别对电子鼻的三大部分进行简单介绍。

1.气敏传感器阵列

气敏传感器阵列是电子鼻系统中的关键部分，是电子鼻感知气味的基本元件，也是电子鼻与外界气体进行沟通的媒介。电子鼻所采用的传感器的主要类型包括：导电型传感器、压电型传感器、电容-电荷耦合型传感器、光纤传感器、场效应传感器。

以最早应用的导电型气敏传感器之一的金属氧化物半导体传感器（metal oxide semiconductor， 简称MOS）为例，一般来说，传感器阵列中传感器的数量越多，其所能够进行检测的气味越多，准确度也越高。金属氧化物半导体传感器是一种用金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气体样品通过顶空采样或扩散等采样方式进入电子鼻，利用被测气体在传感器上的吸附作用，气味分子在薄膜表面进行还原反应以改变半导体的电导率，再通过比较电流变化，针对气体的不同种类或浓度，激发出不同强度的微弱的偏差电信号，之后电信号进入信号处理系统。

2.信号处理系统

从气敏传感器阵列输出的信号在输入到模式识别系统之前，需要进行信号处理，信号处理的效果与电子鼻实际检测和识别的灵敏性息息相关。

从气敏传感器阵列输出的微弱的偏差电信号通常需要经过放大、模数转换等处理，以及通过相关数学方法，提取有效数据、消除噪声，从而能够更好地区分各数据或者信号之间的差异，再以这样的信号输入到模式识别系统中，可使得电子鼻对气味识别的准确度更高。目前常用的信号处理方法包括：主成分分析法、独立成分分析法、Sammon映射法和模拟退火法。

3.模式识别系统

模式识别系统是电子鼻的一个核心部分，其对从气敏传感器阵列采样、并经过信号处理后的气体信号进行响应和判断，常用的识别方法包括两大类：神经网络分析方法和数理统计分析算法，如偏最小二乘回归分析法、判别因子分析法、统计质量控制分析法等[3]。通过各信号数据与相应气味的映射关系，对待测气体进行定性分析和判定。其中，神经网络分析方法能够提供很强的非线性映射能力，具有通过学习自动掌握隐藏在事物内部的不易明确表达的知识和能力，该能力能够使得电子鼻具有更强的“嗅觉”本领。

三 电子鼻的应用现状

电子鼻的代表性产品有法国Alpha MOS公司的Fox4000型电子鼻、英国Aroma Scan公司生产的LabStation型电子鼻。现有的电子鼻产品在食品工业、烟草行业、中药行业、医学行业、环境监测、海关检查、军事等领域都开展了应用研究。在食品工业中，可以帮组识别与预测猪肉、鱼肉的新鲜度、识别鸡蛋是否存在裂纹、检测水果缺陷或内部品质、检测水果货架期质量、检测谷物霉变情况、食品罐头中食物品种的鉴别等，对食品卫生安全做出了重要的贡献。在医学上，参与了一些疾病诊断的研究，如以色列科学家研发出的电子鼻，只要通过简单的呼吸测试，就可以查出病人是否患了肺、乳腺、肠等方面的疾病。在海关检查中，可以用于检查行李中的违禁物品等。

四 结 语

电子鼻作为一种新兴的高科技产品，其在人们的日常生活和生产中具有巨大的应用潜力，在很多领域能够代替人鼻来完成实际的检测工作，尤其是在一些涉及有毒气体，或者需要更精细区分和识别气味成分的情况下，其优越性更为突出。虽然目前电子鼻技术受到传感器材料、制造工艺、信号处理、模式识别等方面的局限，但是随着科技的不断进步，如生物芯片、微电子技术、计算机、材料学等进一步的发展，电子鼻技术必将不断克服其现有的技术局限性，在更多领域获得更广泛的应用。

参考文献

[1] 刘宁晶，史波林，赵镭，等. 电子鼻检测技术研究进展[J]. 食品科技，2012， 37（10）：248-252.

[2] 石志标，左春怪，张学军. 新颖的仿生检测技术——电子鼻[J]. 测试技术学报，2004，18（1）：50-55.

[3] 辛松林，杨妍. 电子鼻的原理、应用现状及前景[J]. 四川烹饪高等专科学校学报，2011，（1）：23-25.

[4] 潘辉. 基于气体传感器的仿生电子鼻设计[J]. 信息技术，2012（3）：128-132.