董士霞，耿奥博

(1.山东省济宁市兖州生态环境监控中心，山东 济宁 272100；2.南京林业大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

社会及科技日益进步与发展使人们早已不满足于仅仅依靠自身嗅觉的模糊感觉来臆测气味的特征，人类嗅觉虽然方便易操作，但是存在着巨大的偏差甚至有主观臆测的问题存在。人的感觉系统对各种气体的敏感性不高，且没有定量判断能力。随着人们对嗅觉理解不断深入以及传感器等技术的不断发展，为了解决人们上述问题，人们研发出了能感知并判别气体种类、浓度的智能设备--电子鼻[1]。

电子鼻，即人工嗅觉系统，是模仿生物嗅觉的一种电子系统，主要依据气味来识别判断物质的类别与成分。

在电子鼻技术中，最关键的便是电子鼻设备，其主要构成分三部分：顶空进样器，将装有样品的顶空密封瓶上方气体通过顶空吸入到带有传感器阵列的主机中；气体传感器阵列，带有分析样品气味的气体作用于传感器阵列，产生瞬间响应，响应强度逐渐变强再变弱，最后达到稳定状态；信号处理系统，也被称为模式识别系统，由气体传感器阵列所获得的气味信息，要经过预处理并进行特征提取，再利用软件进行各种统计分析。

1982年，英国研究者Persuad和Dodd使用三个SnO2气体传感器模拟哺乳动物嗅觉系统对戊基醋酸脂、乙醇、乙醚、戊酸、柠檬油、异茉莉酮等有机气体进行类别分析，这是电子鼻最早应用[1]。然而随着电子鼻技术随着不断地发展进步，其应用范围也不断的扩展。迄今，电子鼻已经在食品医疗、烟草制药、化学化工、能源环保等领域受到了广泛地应用。

1 电子鼻的应用领域

1.1 食品工业

目前，电子鼻在食品工业中的应用非常广泛[2]，如新鲜度的检测，储存时间的预估判断，食品风味的评价等。电子鼻评价食物及饮品的风味不再需要经验丰富的专业人士进行测试，不仅降低经济成本和时间成本，同时还保证了客观性和准确性。

鲁小利等[3]在芝麻油掺伪检测中的应用研究中，研究并设计了一套电子鼻系统，并将基于生物嗅觉的模糊神经网络作为其模式识别算法。该仿生电子鼻系统应用于芝麻油掺伪的检测中在预测精度、收敛速度及运行时间上都取得了较好的效果，可为芝麻油以及其他农产品的在线动态监测及保真提供快速、有效的方法。

类似辨别真伪同样应用在调味剂中，比如何计龙等[4]在前期研究的基础上，应用电子鼻技术快速检测了台州地区生产销售的酿造食醋与配制食醋。研究表明：以食醋中特征香味物质为参照，对检测结果进行主成分分析后，发现酿造食醋和配制食醋的落点在各自区域内而互不干扰，说明电子鼻能很好地区分台州市场上的酿造食醋和配制食醋。

张鹏等人[5]分别对1-甲基环丙烯不同处理时期苹果检测分析运用顶空固相微萃取-气质联用和电子鼻2种技术，对贮后货架期间1-甲基环丙烯低温不同处理时期苹果的挥发性物质进行检测分析。电子鼻其结果与气质联用分析结果相一致。同时，随着贮后货架时间的延长，处理组间的差异越加明显，电子鼻区分效果也越好。因此，电子鼻对1-甲基环丙烯低温不同处理时期苹果整体气味特征进行判别具有可行性。

杨春兰等[6]利用电子鼻对6个贮藏时间5个等级的黄山毛峰茶进行检测，首先获取反映茶叶香气的原始特征向量，再通过主成分分析法(PCA) 提取出前5个主成分作为主特征向量，然后以主特征向量作为BP 神经网络(BPNN) 的输入，建立黄山毛峰茶贮藏时间预测模型(PCA-BPNN) 。结果表明，该研究所建立的PCA-BPNN 预测模型可用于检测黄山毛峰茶贮藏时间，且与以原始特征变量作为输入的BPNN 模型相比，性能更好。电子鼻在食品工业的应用还有很多的实例，与此相关的论文还有很多[6]。

1.2 化工能源

电子鼻在化学化工及石油能源领域都有广阔的应用[7]，以及电子鼻与化学方法的互补使用进行综合检测[8]等。MagorzataBiniecka[9]认为调查的气味不是一项容易的任务,需要在定制质量体系的背景下进行。到目前为止，一直十分注重测定挥发性气味的分数，嗅觉的组合(香味)、化学物质所产生的味觉。可以由分析技术如气相色谱法(GC)结合质谱等来实现。

在精细化工领域，电子鼻的应用很多。傅德锋等[10]采用超快速气相色谱仪电子鼻对汽油样品分析。用主成分分析法(PCA)对样品中的色谱峰进行数据处理并建立模型，对不同汽油标号进行归类和判定。结果表明，利用超快速气相色谱和电子鼻指纹分析技术，可以用于未知汽油样本的定性和汽油标号判定。

胡秋芳等[11]通过嗅辨法和电子鼻技术对二甲胺溶液的气味进行识别检测，对2种方法的检出限进行比较。试验结果表明，二甲胺溶液在25 T下达到气液平衡的最优时间为40 min，在此条件下嗅辨法对二甲胺溶液气味的识别临界浓度为10 mg/L；Fox 4000电子鼻检测二甲胺溶液气味的精密度良好，对二甲胺溶液气味的检出限为2 mg/L，灵敏度高于嗅辨法。运用PCA分析法可成功区分二甲胺溶液的气味，区分能力优于嗅辨法。电子鼻技术进行气味检测灵敏度优于嗅辨法，结果更客观精确。

1.3 烟草工业

矫海楠等人[12]对烟竿、烟夹、烟筐、大箱4种装烟方式的烤后烟叶进行化学成分分析、电子鼻无损检测和感官评吸。结果表明，利用PCA、LDA能无损检测并显著区分不同装烟方式烤后烟叶的香气成分，烟夹烘烤与大箱烘烤差异最为显著。感官评吸也显示4种装烟方式以烟夹烘烤的烤后烟叶质量档次最佳，挂竿、烟筐次之，大箱烘烤最差，电子鼻分析结果与感官评吸结果相符合，利用电子鼻与感官评吸综合分析可更科学评价密集烤房不同装烟方式烤后烟香气质量，并且可以建立一种感官评吸与数理统计相结合的方法，对今后的评价做出科学指导。

龙章德等人[13]采用感官评吸和电子鼻分析，对不同县区、不同部位单料烟品质进行评价，并采用偏最小回归分析(PLSR)方法对二者进行相关性研究。结果表明：基于烟丝电子鼻的主成分分析(PCA)，单料烟按地域差异进行分类；基于烟气电子鼻的PCA分析，单料烟按地域和部位差异进行分类，且分析结果与人的感官评定结果最接近，因此烟气电子鼻分析可作为鉴别原料烟叶的客观手段之一。

1.4 医学医药

庄柳静等[14]在《基于植入式脑机接口的在体生物电子鼻研究进展》一文中写到，哺乳动物具有异常高灵敏的嗅觉系统，能检测到空气中极其痕量的气体分子，在缉毒、搜爆、反恐等社会防范方面发挥着重要的作用。利用哺乳动物的嗅上皮作为初级气味感受器，气味信息通过嗅球和嗅皮层修饰处理后，将植入式微电极阵列包埋于嗅球或嗅皮层记录其响应信号，通过对记录到的神经元信号进行分析解码，实现气味检测与识别。文章还介绍了在体生物电子鼻的原理、组成结构、技术实现、应用及展望等。与此相关的还有很多例子。

1.5 环境检测

A.C.Romain[15]等人，自制了空气环境的恶臭监测的电子鼻系统，试验证实了电子鼻系统对于恶臭中会发出的有机及无机物质有检测作用，不过需要进一步的完善整套监测系统。

方向生等人[16]在《电子鼻在环境监测中的应用与进展》指出，电子鼻是一种模拟生物嗅觉工作原理的新形仿生检测系统，通常由交叉敏感的气体传感器阵列和适当的模式识别算法组成，可用于检测、分析和鉴别简单或复杂气味。作为新近发展的检测方法，它具有通用、快速、多功能、使用简单、低成本、便携、可自动化和在线监测等优势。随着在线连续在线监测的需求越来越迫切，电子鼻也显示了其在环境监测中的应用潜力。文章首先介绍了电子鼻技术的概念、原理、发展历史等信息，在此基础上综述了电子鼻技术在大气、水、土壤和固体废物等环境监测中的应用与进展，并指出电子鼻在可定位在大样本初筛、突发污染应急快速筛查和污染源排放报警性监测等方面。

2 总结与展望

电子鼻实现了气味的客观化表达，使气味成为可以量化的指标，并不代表电子鼻就能取代传统的含量测定手段，这只是气味可以用于标准化质量控制的前提与尝试。在电子鼻的技术支撑之下，气味有望成为空气质量控制中新的可量化指标，进而完善现有技术标准。电子鼻的出现正好契合了对于人们居住环境量化空气质量等研究的思路。随着传感器科学、计算机科学、材料科学、仿生学以及生物学的发展，电子鼻也必将向着高度集成、微型智能和专业高效的方向发展。总而言之，电子鼻技术在各领域的应用实例足以使我们对于在环境保护和监控等相关领域中的使用提供了足够的信心。