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论电子鼻在监测领域的应用在互联网加模式下

2020-05-06 209 上传者：管理员

摘要：电子鼻又称气味指纹仪，由传感系统和模式识别系统相结合的具有快速无损检测多种气味分子的一种智能装置。由于对监测领域的高自动化要求越来越急迫，互联网加模式下的电子鼻充分显示了在检测领域的应用潜力。该文先对电子鼻的工作原理进行简单陈述，在此基础上综述以互联网为载体的电子鼻技术在食品加工检测、医疗监测、环境监测领域的应用进展以及可拓展领域进行介绍，并对其未来发展趋势进行展望。

关键词：
“互联网+”
无损
电子鼻
监测
自动化
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随着时代的发展，科技的自动化逐渐成为社会主流。自动化监测是工业发展必不可少的工具，在一定程度上反映一个国家的工业化程度，其重要性毋庸置疑。随着互联网技术的逐渐成型，以互联网为载体的电子鼻在监领域克服了人工监测耗资大以及监测治理滞后的缺点。将电子鼻与互联网相结合，研发出一种智能、节能、便捷的电子鼻系统，使电子鼻的应用领域得到扩展。本文对提升电子鼻的应用领域及性能具有重要的学术价值。目前已经完成此仪器的初期设计方案，在以后的工作中将逐步开发出适合的硬件以及软件系统。

1、电子鼻的工作原理

电子鼻工作原理：电子鼻气味指纹仪通过模拟人类嗅觉器官对气味分子进行感知、分析和判断[1]，即根据气味的整体信息对其挥发性成分做出定性或定量的判断。电子鼻系统一般以气体采集控制系统、化学传感器阵列、信号处理系统和模式识别系统这四大模块组成[2]。

气体采集控制系统和化学传感器阵列构成电子鼻的硬件部分，软件部分为模式识别系统和信号处理系统两大模块[3]。目前应用较广泛的传感器类型有金属氧化物、导电化合物和体声波化学传感器、表面化学声波传感器。该阵列通常由具有交叉敏感性、广谱响应性以及高灵敏度的多个气体传感器组成[4]。不同的传感器能识别不同气体的同时也具有不同的检测限，而且还形成多维空间的响应模式。互联网加模式下的电子鼻通过监测对象的不同，安装特异性传感陈列，将多个监测结果的物理信号通过互联网传输到一台计算机终端，进行统计分析，将监测结果与监测要求进行对比，得出结果。互联网模式下电子鼻的工作原理见图1。

图1互联网模式下电子鼻工作原理

2、互联网加模式下电子鼻的应用领域

2.1在食品监测领域的应用

随着电子鼻研究的日渐深入，电子鼻能够测量多种食品的特征气味。根据电子鼻的传感器和分析模式不同，以互联网模式为载体的电子鼻在食品的生产链条即从原料的储藏、加工过程到上架后的货架期预测中进行自动化监测。

2.1.1在食品原料储存检测方面

食品货架期的预测已经成为食品行业重点的步骤，以互联网为载体的电子鼻可以对食品库的发霉、变质情况进行实时监测，通过电子鼻特异传感器对某种原料变质、腐败后产生的相应气体及时作出响应和预警。能够对变质原料做出准确、快速判断，第一时间发现变质食品，并及时采取措施，使损失达到最小化。

在香肠的存储监测中顾欣哲等[5]根据Loading分析、方差分析和Pearson相关性分析确定了最佳传感器，通过酸价和过氧化值的指标来观测氧化指数，结果表明电子鼻监控对脂肪氧化程度有显著的区分性，可用于脂肪氧化过程的监控。食品加工原料中的草莓很容易腐坏变质。朱娜等[6]对接种了霉菌的草莓每隔两天进行一次电子鼻检测，再结合主成分分析、多元方差分析这两种分析方法在与正常水果比对后，明显的检测到与正常草莓的显著差异。利用Fisher判别建立的回归函数得到的判别正确率均在98%以上，也就是表明，电子鼻技术对草莓霉变后产生的烃类和酯类化合物很敏感，可以将电子鼻技术应用于草莓霉变的监控把握研究。作为食品厂原料的玉米霉变后产生的霉菌毒素代谢产物却会在人体沉积对人体产生毒害作用，殷勇等[7]利用Fisher判别分析发现多特征融合模式响应信息差异显著，因此这种模式不仅可应用于玉米霉变的监控，而且具有普遍性。浦宏杰等[8]用电子鼻对芒果的挥发性物质进行成监测，通过判别因子分析，电子鼻能够区分不同成熟期的芒果，同时也能区分变质的芒果。结果说明在互联网模式下的电子鼻设备可以通过测定芒果释放的挥发性物质来确定芒果的变质情况。这些试验都说明互联网模式下的电子鼻可以很好的对食品加工原料的储藏变质情况进行监测，能够及时发现变质产品，因此厂商能够达到最小的损失。避免了人工监测的高成本，以及滞后性这些缺点。

2.1.2在食品加工过程中的应用

在食品加工过程中，以互联网为载体的电子鼻可以实现食品在烹调、发酵等过程的监测，通过监测加工环境中是否出现异常气味，来控制食品加工过程中的制品质量。丹麦青纹干酪的成熟的过程用电子鼻就可以完成进行实时监控[9]。根据干酪成熟过程中每个过程产生的特异性气体来对干酪的成熟情况进行自动化监测。说明用电子鼻进行羊奶检测是可行的互联网模式下电子鼻能同时对不同批次的干酪进行自动化监测，可以第一时间对生产链的异常采取措施。除此之外，张虹艳等[10]还采用了BP神经网络和线性判别分析对羊奶加工过程中挥发性物质的检测，结果表明BP神经网络能区分不同品质的羊奶。互联网模式下电子鼻通过监测酿造过程中不同时期产生的不同挥发性气体，从而准确判断原料的成型期，对酿造工业化有指导意义。

2.1.3在食品货架期的检测方面

季淑娟等[11]采用电子鼻技术检测南果梨。结果表明：电子鼻对南果梨的挥发性物质比较灵敏，可以利用电子鼻无损检测南果梨的挥发性物质的变化SimonaBenedetti等[12]用电子鼻采用主成分分析和线性判别式分析对桃子成熟期和货架期进行分析。张鹏等[13]通过气质连用的方式确定出苹果在不同贮藏时期具有特异的挥发性物质，LDA分析模式的监测能够准确的计算苹果的货架期。电子鼻可以通过对多种货架食品的监测数据进行分析，方便快捷的预测各种商品的货架期。

2.2在医疗中的应用

研究表明，不同的疾病患者所呼出的气体中有某种特定成分，例如患有肝硬化的人呼出的气体中会出现脂肪酸，肾衰竭患者呼出的气体中含有三甲氨，肝癌患者的呼出气体中存在烷类和苯的衍生物等。互联网模式下的电子鼻能对人体的健康情况进行实时监测。

陈星[14]采用固相微萃取与气相色谱联用提取肺癌患者和未患肺癌者的特征性气体进行比较，确定肺癌患者气体中的标志物，通过改变电子鼻传感器的响应物质，能够对肺癌患者做出判断。由于电子鼻具有方便灵敏快捷的特点可以快速检测出被测气体的某些特定成分。Seesaar等[15]实施了可穿戴式用于检测佩戴者身体气味的装置利用ZigBee无线网络将身体嗅觉与电脑进行连接实时监测人体腋下散发的气味从而显示实时健康状态的监测的应用。还可以将此设备置于鞋底将监控的气味与健康足部气味指纹进行对比，得到足部健康指数。台北医科大学设计了以声波为基础的电子鼻系统，结合不同分析模式，通过实时的监测人呼出的气体判断人体肺部和呼吸道的感染细菌时细菌的种类。结果表明，该电子鼻系统对6种病原体细菌的识别率达到98%[16]。刘伯科等[17]通过实时检测人体呼出的气体中微生物对含硫氨基酸的代谢产物就能够判断人体是否存在疾病征兆。可佩戴式电子鼻对多人体呼出气体的监测结果通过互联网传输到呼吸诊断网络平台进行分析根据健康检测限对人的健康状况进行评价，准确快速的检测出人体的健康情况，第一时间发现疾病，具有无创、快速、高效、便捷等优点。在医疗领域互联网模式下的电子鼻展现出一种新型具有吸引力的监测人体健康的方法。电子鼻在该领域还有很大的发展空间和前景，并逐步从实验室迈向人类的生活中。

2.3在环境检监测方面

环境电子鼻是一种模仿人的嗅觉功能的智能仿生电子仪器，通过传感器将被检气体转化为一定的电信号或物理信号，并利用多元统计方法对这些信号进行处理以达到对被检挥发性气体分析、检测和识别的目的。互联网模式下电子鼻系统能够对生活垃圾场、工厂排放的有害气体进行实时监测。

苏爱华等[18]用法国阿默思恶臭电子鼻对小区垃圾箱进行监测。通过电子鼻对敏感点臭气浓度的响应值，结合互联网传输模块、恶臭在线监测预警平台，形成对多个垃圾箱实现恶臭实时在线监测、响应联动以及措施跟进等。当气味到达某一程度时计算机对相应编号的垃圾箱做出预警并进入应急联动状态，通知对应的环境负责人员对该垃圾箱进行清洁。从而能够快速解决小区垃圾箱异味问题。

另外，电子鼻技术与互联网相结合[19]可以被运用于工厂的排风系统，工厂每天都会产生不同的废气，某些工厂废气严重超出国家标准。国家可以通过互联网加电子鼻模式对国内的工厂排风气体进行实时监测，将监测值通过互联网上传到各地区的环境监测点，通过对超标物质的种类及含量进行分析，第一时间对有害气体做出应对。

3、讨论和展望

电子鼻作为一种具有快速、多功能、使用简单、低成本、便携等优点的仪器，再以互联网作为信息传输渠道能够自动化在线监测。现有的研究报道也表明了电子鼻在实时监测领域的发展潜力。同时，也必须认识到电子鼻技术由于其本身的特性，只能用于某些特殊领域的的监测。其次，电子鼻的模式识别需要通过大量的试验数据及监测才能够应用相对稳定，在某些领域的推广上有些困难。最后，受传感器材料和工艺的影响，电子鼻的分析精度和重复性与精密分析仪器相比还有欠缺。作为一种新型监测技术，电子鼻与互联网相结合的模式在日趋自动化的时代中，其应用领域将会不断扩大。

综上所述，电子鼻结合互联网在实时监测中的应用可定位在食品的加工链，医疗和环境监测等方面。目前国内对电子鼻结合互联网进行实时监测中的应用研究很少，随着自动化监测的需求越来越大，电子鼻可发挥很大的作用，此类仪器和检测方法的研究力度还应加大。

参考文献：

[1]唐向阳,张勇,丁锐,等.电子鼻技术的发展及展望[J].机电一体化,2006,12(4):11-15

[2]周显清,崔丽静,林家永,等.电子鼻用于粮食储蓄的研究进展[J].粮油食品科技,2010,18(5):63-66

[3]邹慧琴,韩玉,刑姝,等.电子鼻技术在重要领域中的应用[J].北京中医药大学,2012,14(6):2120-2125

[5]顾欣哲,吴振川,刘芮瑜,等.基于电子鼻和神经网络对广式香肠脂肪氧化的评价[J].食品科学,2016,37(24):142-148

[6]朱娜,毛淑波,潘磊庆,等.电子鼻对草莓采后贮藏早期霉菌感染的检测[J].农业工程学报,2013,29(5):266-273

[7]殷勇,郝银凤,于慧春.基于多特征融合的电子鼻鉴别玉米霉变程度[J].农业工程学报,2016,32(12):254-260

[8]浦宏杰,汪迪松,王辉,等.基于zNoseTM电子鼻的芒果腐烂及成熟度检测[J].现代食品科技,2017,33(3):304-310

[10]张虹艳,丁武.基于fisher线性判别和BP神经网络的电子鼻羊奶贮藏时间预测[J].中国食品学报,2012,12(6):166-173

[11]纪淑娟,张丽萍,卜庆状,等.基于电子鼻技术对冷藏后南果梨货架期间气味的变化分析[J].食品科学,2012,33(7):123-126

[13]张鹏,李江阔,陈绍慧.气质联用和电子鼻对1-MCP不同处理时期苹果检测分析[J].食品与发酵工业,2014,40(9):144-151