PDF《邹慧琴 刘勇 林辉 闫永红 一、引言》

传感器世界2011.

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6 注:北京中医药大学自主选题项目基金(项目编号:JYB22-XS041. ) 摘要:本文介绍了电子鼻的基本原理和结构组成;

综述了近年来电子鼻技术在食品、医药、农业、环境监 控、公共安全等领域的应用进展;

总结了电子鼻研究中存在的问题,并展望了其未来的发展方向. 关键词:电子鼻;

传感器;

模式识别系统 中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1006-883X(2011)11-0006-06 邹慧琴 刘勇 林辉 闫永红

一、引言 科技的不断进步使人类已经不满足于靠嗅觉这种模糊的感觉来判断事物的气味特征.随着人类对嗅觉过 程理解的不断加深以及传感器技术的不断发展,电子鼻技术应运而生. 在20 世纪

80 年代初期, Zaromb 和Stetter 首先探讨了应用传感器阵列理论基础, 并将阵列用于检测易燃、 有毒气体;

同时期,英国学者 Persaud 和Dodd 将其用于对多种有机挥发气体进行类别分析,开创了电子鼻研 究的先河[1] ;

1989 年在北大西洋公约组织(NATO)的一次关于化学传感器信息处理会议上对电子鼻作了如下 定义: 电子鼻是由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气体能 力的装置 ;

接着,于1990 年举行了第一届电子鼻专题学术会议[2] .此后,电子鼻技术即作为一项重要专题被 广泛研究. 电子鼻是适用于许多系统中测量一种或多种气味物质的气体敏感系统[3] .与传统的气味分析技术,如气相 色谱法(Gas Chromatography,GC) 、质谱法(Mass Spectroscopy,MS) 、火焰离子化检测(Flame Ionization Detection,FID)等相比,具有快捷、简便、经济等优点,因此广泛应用于食品、医药、农业、环境监控及公 共安全等领域.

二、工作原理

1、结构组成 电子鼻,也称人工嗅觉系统,是模拟人类的嗅觉系统而设计研制的一种智能电子仪器,因而它的基本工 作原理是模仿人类对气味的识别机制[4] ,包括

3 个部份:气味分子被人工嗅觉系统中的传感器阵列吸附、产生 信号,如同人的嗅觉细胞;

生成的信号经各种方法加工处理与传输,如同人的嗅觉神经网络;

将处理后的信 号经模式识别系统做出判断,如同人的大脑,对气味做出判断. 一个典型的电子鼻主要由三部分构成: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.其中传感器阵列、模式 识别系统是决定电子鼻工作效能的核心因素(图1) . 2011.11 SensorWorld www.sensorworld.com.cn

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2、气体传感器阵列 国家标准 GB7665-87 对传感器的定义是: 能感受规定 的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装 置, 通常由敏感元件和转换元件组成 . 而传感器阵列作为电 子鼻的检测系统,是电子鼻最为核心的部分,它由对不同气 体有不同灵敏度的气敏元件组成,具有广谱响应性、交叉敏 感特性等特点. 根据传感器的工作原理不同,可分为压电传感器、电化 学传感器、光学传感器、热传感器等.以下是几种较常见的 传感器: (1)导电聚合物(CP)传感器:传感器主要是由聚吡 咯、噻吩、吲哚、呋喃等碱性有机物的聚合物及衍生物制作 而成. 工作原理是: 当带有样品气味的气体与传感器接触后, 与传感器上化合物及聚合物的主骨架相结合,使聚合物的导 电性发生改变,电阻增加,产生信号.这种传感器能在室温 下工作、灵敏度较高,但其活性物质的电聚合化过程比较困 难且耗时,生产工艺重复性差,对湿度敏感,响应会随时间 漂移且校正困难,而且长期模型至今无成功实例. (2) 石英晶体微平衡 (QCM) 传感器和声表面波 (SAW) 传感器: 这两种传感器通常被称为质量传感器. QCM 的工作 原理是:被聚合物涂层所吸附的气体分子会增加石英晶体的 质量,因而降低其共振频率,降低的程度反比于被聚合物所 吸附的气味物质的质量.SAW 的工作原理是:吸附的气体分 子改变了表面声波的共振频率.它们的优点是灵敏度高,但 缺点较为突出:比导电型传感器需要更复杂的电子学、生产 重复性差、需频率检出器、寿命短、随着活性薄膜的老化共 振频率会漂移且漂移校正困难、长期模型无成功实例. (3)金属氧化物(MOS)传感器:传感器通过与气味 的相互作用,使活性材料的导电性发生变化,信号以电路中 电阻的变化来测量.优点是生产工艺重复性高,灵敏度高, 可建立长期模型,已实现同机模型转移.基准响应可能会漂 移,但可以通过标准溶液校正. 因此,前两种传感器已多被淘汰,MOS 传感器成为电子 鼻传感器的主流.