楊雪欣，樊浩然

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)旅游烹飪學(xué)院，黑龍江哈爾濱150076）

隨著時(shí)代的發(fā)展，科技的自動(dòng)化逐漸成為社會(huì)主流。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是工業(yè)發(fā)展必不可少的工具，在一定程度上反映一個(gè)國(guó)家的工業(yè)化程度，其重要性毋庸置疑。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成型，以互聯(lián)網(wǎng)為載體的電子鼻在監(jiān)領(lǐng)域克服了人工監(jiān)測(cè)耗資大以及監(jiān)測(cè)治理滯后的缺點(diǎn)。將電子鼻與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，研發(fā)出一種智能、節(jié)能、便捷的電子鼻系統(tǒng)，使電子鼻的應(yīng)用領(lǐng)域得到擴(kuò)展。本文對(duì)提升電子鼻的應(yīng)用領(lǐng)域及性能具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。目前已經(jīng)完成此儀器的初期設(shè)計(jì)方案，在以后的工作中將逐步開(kāi)發(fā)出適合的硬件以及軟件系統(tǒng)。

1 電子鼻的工作原理

電子鼻工作原理：電子鼻氣味指紋儀通過(guò)模擬人類(lèi)嗅覺(jué)器官對(duì)氣味分子進(jìn)行感知、分析和判斷[1]，即根據(jù)氣味的整體信息對(duì)其揮發(fā)性成分做出定性或定量的判斷。電子鼻系統(tǒng)一般以氣體采集控制系統(tǒng)、化學(xué)傳感器陣列、信號(hào)處理系統(tǒng)和模式識(shí)別系統(tǒng)這四大模塊組成[2]。

氣體采集控制系統(tǒng)和化學(xué)傳感器陣列構(gòu)成電子鼻的硬件部分，軟件部分為模式識(shí)別系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)兩大模塊[3]。目前應(yīng)用較廣泛的傳感器類(lèi)型有金屬氧化物、導(dǎo)電化合物和體聲波化學(xué)傳感器（quarta crystal microbalance，QCM）、表面化學(xué)聲波傳感器（surface acoustic wave，SAW）。該陣列通常由具有交叉敏感性、廣譜響應(yīng)性以及高靈敏度的多個(gè)氣體傳感器組成[4]。不同的傳感器能識(shí)別不同氣體的同時(shí)也具有不同的檢測(cè)限，而且還形成多維空間的響應(yīng)模式。互聯(lián)網(wǎng)加模式下的電子鼻通過(guò)監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同，安裝特異性傳感陳列，將多個(gè)監(jiān)測(cè)結(jié)果的物理信號(hào)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)揭慌_(tái)計(jì)算機(jī)終端，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與監(jiān)測(cè)要求進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)果?；ヂ?lián)網(wǎng)模式下電子鼻的工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)模式下電子鼻工作原理Fig.1 Working principle of electronic nose in Internet mode

2 互聯(lián)網(wǎng)加模式下電子鼻的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 在食品監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著電子鼻研究的日漸深入，電子鼻能夠測(cè)量多種食品的特征氣味。根據(jù)電子鼻的傳感器和分析模式不同，以互聯(lián)網(wǎng)模式為載體的電子鼻在食品的生產(chǎn)鏈條即從原料的儲(chǔ)藏、加工過(guò)程到上架后的貨架期預(yù)測(cè)中進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

2.1.1 在食品原料儲(chǔ)存檢測(cè)方面

食品貨架期的預(yù)測(cè)已經(jīng)成為食品行業(yè)重點(diǎn)的步驟，以互聯(lián)網(wǎng)為載體的電子鼻可以對(duì)食品庫(kù)的發(fā)霉、變質(zhì)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)電子鼻特異傳感器對(duì)某種原料變質(zhì)、腐敗后產(chǎn)生的相應(yīng)氣體及時(shí)作出響應(yīng)和預(yù)警。能夠?qū)ψ冑|(zhì)原料做出準(zhǔn)確、快速判斷，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)變質(zhì)食品，并及時(shí)采取措施，使損失達(dá)到最小化。

在香腸的存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)中顧欣哲等[5]根據(jù)Loading 分析、方差分析和Pearson 相關(guān)性分析確定了最佳傳感器，通過(guò)酸價(jià)和過(guò)氧化值的指標(biāo)來(lái)觀測(cè)氧化指數(shù)，結(jié)果表明電子鼻監(jiān)控對(duì)脂肪氧化程度有顯著的區(qū)分性，可用于脂肪氧化過(guò)程的監(jiān)控。食品加工原料中的草莓很容易腐壞變質(zhì)。朱娜等[6]對(duì)接種了霉菌的草莓每隔兩天進(jìn)行一次電子鼻檢測(cè)，再結(jié)合主成分分析、多元方差分析這兩種分析方法在與正常水果比對(duì)后，明顯的檢測(cè)到與正常草莓的顯著差異。利用Fisher 判別建立的回歸函數(shù)得到的判別正確率均在98%以上，也就是表明，電子鼻技術(shù)對(duì)草莓霉變后產(chǎn)生的烴類(lèi)和酯類(lèi)化合物很敏感，可以將電子鼻技術(shù)應(yīng)用于草莓霉變的監(jiān)控把握研究。作為食品廠原料的玉米霉變后產(chǎn)生的霉菌毒素代謝產(chǎn)物卻會(huì)在人體沉積對(duì)人體產(chǎn)生毒害作用，殷勇等[7]利用Fisher 判別分析發(fā)現(xiàn)多特征融合模式響應(yīng)信息差異顯著，因此這種模式不僅可應(yīng)用于玉米霉變的監(jiān)控，而且具有普遍性。浦宏杰等[8]用電子鼻對(duì)芒果的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行成監(jiān)測(cè)，通過(guò)判別因子（discriminant factor analysis，DFA）分析，電子鼻能夠區(qū)分不同成熟期的芒果，同時(shí)也能區(qū)分變質(zhì)的芒果。結(jié)果說(shuō)明在互聯(lián)網(wǎng)模式下的電子鼻設(shè)備可以通過(guò)測(cè)定芒果釋放的揮發(fā)性物質(zhì)來(lái)確定芒果的變質(zhì)情況。這些試驗(yàn)都說(shuō)明互聯(lián)網(wǎng)模式下的電子鼻可以很好的對(duì)食品加工原料的儲(chǔ)藏變質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)變質(zhì)產(chǎn)品，因此廠商能夠達(dá)到最小的損失。避免了人工監(jiān)測(cè)的高成本，以及滯后性這些缺點(diǎn)。

2.1.2 在食品加工過(guò)程中的應(yīng)用

在食品加工過(guò)程中，以互聯(lián)網(wǎng)為載體的電子鼻可以實(shí)現(xiàn)食品在烹調(diào)、發(fā)酵等過(guò)程的監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)加工環(huán)境中是否出現(xiàn)異常氣味，來(lái)控制食品加工過(guò)程中的制品質(zhì)量。丹麥青紋干酪的成熟的過(guò)程用電子鼻就可以完成進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[9]。根據(jù)干酪成熟過(guò)程中每個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的特異性氣體來(lái)對(duì)干酪的成熟情況進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。說(shuō)明用電子鼻進(jìn)行羊奶檢測(cè)是可行的互聯(lián)網(wǎng)模式下電子鼻能同時(shí)對(duì)不同批次的干酪進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，可以第一時(shí)間對(duì)生產(chǎn)鏈的異常采取措施。除此之外，張虹艷等[10]還采用了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和線性判別分析對(duì)羊奶加工過(guò)程中揮發(fā)性物質(zhì)的檢測(cè)，結(jié)果表明BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能區(qū)分不同品質(zhì)的羊奶。互聯(lián)網(wǎng)模式下電子鼻通過(guò)監(jiān)測(cè)釀造過(guò)程中不同時(shí)期產(chǎn)生的不同揮發(fā)性氣體，從而準(zhǔn)確判斷原料的成型期，對(duì)釀造工業(yè)化有指導(dǎo)意義。

2.1.3 在食品貨架期的檢測(cè)方面

季淑娟等[11]采用電子鼻技術(shù)檢測(cè)南果梨。結(jié)果表明：電子鼻對(duì)南果梨的揮發(fā)性物質(zhì)比較靈敏，可以利用電子鼻無(wú)損檢測(cè)南果梨的揮發(fā)性物質(zhì)的變化SimonaBenedetti 等[12]用電子鼻采用主成分分析（principal component analysis，PCA）和線性判別式分析（Linear discriminant analysis，LDA）對(duì)桃子成熟期和貨架期進(jìn)行分析。張鵬等[13]通過(guò)氣質(zhì)連用的方式確定出蘋(píng)果在不同貯藏時(shí)期具有特異的揮發(fā)性物質(zhì)，LDA 分析模式的監(jiān)測(cè)能夠準(zhǔn)確的計(jì)算蘋(píng)果的貨架期。電子鼻可以通過(guò)對(duì)多種貨架食品的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，方便快捷的預(yù)測(cè)各種商品的貨架期。

2.2 在醫(yī)療中的應(yīng)用

研究表明，不同的疾病患者所呼出的氣體中有某種特定成分，例如患有肝硬化的人呼出的氣體中會(huì)出現(xiàn)脂肪酸，腎衰竭患者呼出的氣體中含有三甲氨，肝癌患者的呼出氣體中存在烷類(lèi)和苯的衍生物等。互聯(lián)網(wǎng)模式下的電子鼻能對(duì)人體的健康情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

陳星[14]采用固相微萃取與氣相色譜聯(lián)用提取肺癌患者和未患肺癌者的特征性氣體進(jìn)行比較，確定肺癌患者氣體中的標(biāo)志物，通過(guò)改變電子鼻傳感器的響應(yīng)物質(zhì)，能夠?qū)Ψ伟┗颊咦龀雠袛唷Ｓ捎陔娮颖蔷哂蟹奖沆`敏快捷的特點(diǎn)可以快速檢測(cè)出被測(cè)氣體的某些特定成分。Seesaar 等[15]實(shí)施了可穿戴式用于檢測(cè)佩戴者身體氣味的裝置利用ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將身體嗅覺(jué)與電腦進(jìn)行連接實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體腋下散發(fā)的氣味從而顯示實(shí)時(shí)健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。還可以將此設(shè)備置于鞋底將監(jiān)控的氣味與健康足部氣味指紋進(jìn)行對(duì)比，得到足部健康指數(shù)。臺(tái)北醫(yī)科大學(xué)設(shè)計(jì)了以聲波為基礎(chǔ)的電子鼻系統(tǒng)，結(jié)合不同分析模式，通過(guò)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)人呼出的氣體判斷人體肺部和呼吸道的感染細(xì)菌時(shí)細(xì)菌的種類(lèi)。結(jié)果表明，該電子鼻系統(tǒng)對(duì)6 種病原體細(xì)菌的識(shí)別率達(dá)到98%[16]。劉伯科等[17]通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)人體呼出的氣體中微生物對(duì)含硫氨基酸的代謝產(chǎn)物就能夠判斷人體是否存在疾病征兆?？膳宕魇诫娮颖菍?duì)多人體呼出氣體的監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)胶粑\斷網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行分析根據(jù)健康檢測(cè)限對(duì)人的健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確快速的檢測(cè)出人體的健康情況，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)疾病，具有無(wú)創(chuàng)、快速、高效、便捷等優(yōu)點(diǎn)。在醫(yī)療領(lǐng)域互聯(lián)網(wǎng)模式下的電子鼻展現(xiàn)出一種新型具有吸引力的監(jiān)測(cè)人體健康的方法。電子鼻在該領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間和前景，并逐步從實(shí)驗(yàn)室邁向人類(lèi)的生活中。

2.3 在環(huán)境檢監(jiān)測(cè)方面

環(huán)境電子鼻是一種模仿人的嗅覺(jué)功能的智能仿生電子儀器，通過(guò)傳感器將被檢氣體轉(zhuǎn)化為一定的電信號(hào)或物理信號(hào)，并利用多元統(tǒng)計(jì)方法對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理以達(dá)到對(duì)被檢揮發(fā)性氣體分析、檢測(cè)和識(shí)別的目的?；ヂ?lián)網(wǎng)模式下電子鼻系統(tǒng)能夠?qū)ι罾鴪?chǎng)、工廠排放的有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

蘇愛(ài)華等[18]用法國(guó)阿默思惡臭電子鼻對(duì)小區(qū)垃圾箱進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)電子鼻對(duì)敏感點(diǎn)臭氣濃度的響應(yīng)值，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊、惡臭在線監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，形成對(duì)多個(gè)垃圾箱實(shí)現(xiàn)惡臭實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、響應(yīng)聯(lián)動(dòng)以及措施跟進(jìn)等。當(dāng)氣味到達(dá)某一程度時(shí)計(jì)算機(jī)對(duì)相應(yīng)編號(hào)的垃圾箱做出預(yù)警并進(jìn)入應(yīng)急聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，通知對(duì)應(yīng)的環(huán)境負(fù)責(zé)人員對(duì)該垃圾箱進(jìn)行清潔。從而能夠快速解決小區(qū)垃圾箱異味問(wèn)題。

另外，電子鼻技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合[19]可以被運(yùn)用于工廠的排風(fēng)系統(tǒng)，工廠每天都會(huì)產(chǎn)生不同的廢氣，某些工廠廢氣嚴(yán)重超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)加電子鼻模式對(duì)國(guó)內(nèi)的工廠排風(fēng)氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)值通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳到各地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)超標(biāo)物質(zhì)的種類(lèi)及含量進(jìn)行分析，第一時(shí)間對(duì)有害氣體做出應(yīng)對(duì)。

3 討論和展望

電子鼻作為一種具有快速、多功能、使用簡(jiǎn)單、低成本、便攜等優(yōu)點(diǎn)的儀器，再以互聯(lián)網(wǎng)作為信息傳輸渠道能夠自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)有的研究報(bào)道也表明了電子鼻在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?。同時(shí)，也必須認(rèn)識(shí)到電子鼻技術(shù)由于其本身的特性，只能用于某些特殊領(lǐng)域的的監(jiān)測(cè)。其次，電子鼻的模式識(shí)別需要通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)才能夠應(yīng)用相對(duì)穩(wěn)定，在某些領(lǐng)域的推廣上有些困難。最后，受傳感器材料和工藝的影響，電子鼻的分析精度和重復(fù)性與精密分析儀器相比還有欠缺。作為一種新型監(jiān)測(cè)技術(shù)，電子鼻與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的模式在日趨自動(dòng)化的時(shí)代中，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)不斷擴(kuò)大。

綜上所述，電子鼻結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用可定位在食品的加工鏈，醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面。目前國(guó)內(nèi)對(duì)電子鼻結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究很少，隨著自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的需求越來(lái)越大，電子鼻可發(fā)揮很大的作用，此類(lèi)儀器和檢測(cè)方法的研究力度還應(yīng)加大。