电子鼻原理及应用人工嗅觉分析技术——电子鼻的工作原理，特性及用途|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

人工嗅觉分析技术——电子鼻的工作原理、特性及用途

电子鼻(electronic nose, EN)，又称气味传感器、多传感器阵列(multi-sensor array)、人工鼻(artificial nose)、嗅觉系统(odorsensing system)、电子嗅觉测量器(electronic olfactometry)等，其发明则受嗅觉的启发。嗅觉系统可帮助生物更好地感知环境、发现潜在的危险、识别及区分食物。

从技术层面，因为气味中自然交织着多种化学物质，因此对气味进行自动识别及分类是一项极具挑战的任务。气味自然交织可分为三类：协同(synergism)、补偿(compensation)、遮蔽(masking)。

"协同"指两种及以上不同物质发出气味并相互交织，使得混合后的气味浓于单一物质的气味；

"补偿"指一种成分的气味抵消另一种成分的气味；

"遮蔽"指一种宜人的气味(pleasant odor)与另一种不良气味(unpleasant odor)融合。

电子鼻技术出现前，学界尚无法对一般情况下的化学混合物做高精度分析及成分分离。随着电子鼻设备的发展，一些研究可以测量气味强度、认识气味交互及传感器对气味交互的反应。

尽管检测特殊气味的研究始于20世纪20年代，借助化学电子传感器阵列(chemical electronic sensor array)来检测气味的想法却在20世纪80年代早期才出现，但那时受传感器技术的限制，这一想法还无法实现。20世纪90年代晚期，"电子鼻"概念正式提出，其最初的定义是: "由多传感器阵列组成、可用于检测一种以上化学成分的设备"。随后，传感器技术的发展及更多研究可能的实现很好扩展了电子鼻技术的应用范围。近年来，EN技术已经覆盖农业、水及食品产业、医药、安全系统等诸多领域，具有响应时间短、检测速度快、成本低等优良性能。

上图展示了生物嗅觉系统(biological olfactory system)与电子鼻技术(EN technology)的相似之处。电子鼻的电子传感器阵列(electronic sensor array)对应着鼻子的嗅觉感受器(olfactory nose receptors)，可检测空气中的化学物质。在生物嗅觉系统中，被感受和捕捉的气味分子会作为输入信号传入嗅球(olfactory bulb)，由嗅球对气味信息进行处理。而后，大脑中的嗅皮质(olfactory cortex)对气味进行描述，并最终识别出气味。

类似地，在电子鼻技术中，预处理器(preprocessor)首先对捕捉到的气味信号进行特征提取。基于所提取的数字签名(extracted digital signatures)，电子鼻再利用数据分析、模式识别、机器学习相关算法来识别及区分输入气味。

两者比较后可知，电子鼻技术由硬件和软件两部分组成，软件部分相当于生物的"大脑"，硬件部分相当于"嗅觉感受器"。具体而言，软件部分 主要包括一个数据处理单元(data processing unit)，可借助感受到的化学物质(sensed chemicals)的数字签名(digital signatures)，识别出所捕捉的每一种气味并对其进行分类。硬件部分 主要指传感器阵列(sensor array)。由于电子鼻的主要任务是检测并区分多种气味，因此传感器阵列通常包括各种不同类别的传感器，不同传感器可检测出不同化学物质。

完成特定任务时，电子鼻技术的关键在于找到合适的传感器。总而言之，要想成功构建出一套电子鼻系统，就要有合适的硬件及高效的软件做为支撑。

电子鼻的检测对象主要针对挥发性的风味物质。当一种或多种风味物质经过电子鼻时，该风味物质的“气味指纹”可以被传感器感知并经过特殊的智能模式识别算法提取。利用不同风味物质的不同“气味指纹”信息，就可以来区分、辨识不同的气体样本。另外，某些特定的风味物质恰好可以表征样品在不同的原料产地、不同的收获时间、不同的加工条件、不同存放环境等多变量影响下的综合质量信息。保圣电子鼻采用先进的传感器组合而成，是目前同类仪器稳定性好，检测精度高的电子鼻。非常适用于检测含有挥发性物质的液体、固体样品。

过程控制：食品生产中添加剂的用量，工业清洗过程的控制，发酵过程控制，自然气体中人造气体的量，食品工业中包装物的生产控制，油炸或烧烤的过程控制。

质量控制：油脂的恶臭，食品的新鲜度，包装物的外散气体，聚合物的溶剂残留物，风味的退化，药物气体，树脂的特点，饮料的香气等。

环境安全控制:废水纯化过程的气味，肥料气味，过滤过程管理，工作室中空气中的有机溶剂，细菌辨别，泄露控制，燃烧控制。

▲慧闻科技IDM-D02电子鼻 32种不同传感器组成的阵列

慧闻科技设计并制作的 IDM-D01 电子鼻系统由 32 个不同的气体传感器组成，可以完成专业级气体和气味识别测试的移动式数据采集。该系统集成了先进的电子鼻操作电路、气体取样、数据传输和采集为一体。采集的数据即可以直接用于慧闻科技的电子鼻训练测试软件程序，也可以由用户自行研究开发使用。具有携带方便，操作简单，无噪音等优秀特点，系统配置的测试软件可以实时显示测试结果并完成多路传感器和温湿度的数据采集。该系统尤其适合对气体或气味有关项目研究级别的开发的使用，如果配合慧闻科技开发的电子鼻训练平台，经过相应的训练测试，可以直接在应用项目中做为嗅觉感知仪使用。该系统也可以根据不同使用场景来专门配置面向目标气体或气味的阵列传感器组合。

问答时间

电子鼻在食品产业中应用的场景？

1、食品腐臭分析

2、糖蜜种类和芳香特性的分析

3、肉品新鲜度分析

4、水果新鲜度芳香种类的分析

5、酸奶和酸奶辅料的鉴定分析

6、牛奶新鲜度分析

7、果汁等不含酒精的饮料的区分判定

8、酒精饮料香气的区别分析

9、谷物生长分析

10、咖啡及相关产品的香气分

11、烟草质量及香气分析

12、其它食品香气的分析

什么是电子鼻？它的核心原理是什么？

《电子鼻的起源与应用》

经过数亿年的发展，生物进化出了近乎完美的嗅觉系统以躲避威胁、捕获猎物，从而得以生存。早在1.5万年前，人类就利用犬类具有更加优异嗅觉的特点，驯化了犬类辅助捕猎和预防猛兽袭击。此后，人们还利用金丝雀对地下煤矿中的一氧化碳进行检测，利用警犬检测爆炸物、毒品、疾病等。

但是，直接利用生物进行检测存在成本高、生物情绪状态不稳定等缺点，限制了其在实际环境中的应用。因此，人们试图通过模仿生物的嗅觉，开发具有仿生功能的人工嗅觉系统，即电子鼻。

电子鼻是模拟动物嗅觉器官开发的一种高科技产品，气体传感器作为电子鼻的核心元件，通过与待测气体反应将组成和浓度等信息转化为电信号输出，从而实现对环境中有害气体的快速、灵敏、实时检测。常见的气体传感器有半导体型、电化学型和红外气体传感器等，近年来气体传感器的不断发展，也相应的促进了电子鼻技术的成熟与应用。

自新冠疫情出现以来，对居住环境与常用物品消毒成为了所有人的共识。但是，多种消毒水混用造成氯气中毒的事件屡见不鲜，其他有害气体如一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等也对人体有严重的危害。如果能及时检测有害气体浓度并报警，就可以避免悲剧的发生。

此外，在食品安全领域，也需要气体检测来确定海鲜及肉类的新鲜程度。海鲜在腐烂过程中会产生胺类物质，尤其是三甲胺，产生的三甲胺越少，证明海鲜越新鲜。

《电子鼻是如何发挥“嗅觉”》

那么，如何实现有害气体的快速检测呢? 目前，检测气体的方法主要有气相色谱法、液相色谱法、分光光度法、离子迁移谱法等，这些方法往往具有高灵敏度和低检测限，但是需要复杂的仪器设备和专业的操作技术，成本较高且不能用于现场监测，在生产和生活中使用存在极大的不便。因此，一个小型便捷、容易操作的现场检测器应运而生。

我们生活中常用的燃气报警器核心就是气体传感器，可以看做是一个比较常见的“电子鼻”应用案例。它里面有一个独特的电阻，当＂闻＂到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化。燃气达到一定浓度、电阻达到一定水平时，报警器就会发出声光报警，提醒人们发生了燃气泄漏。

电子鼻是模拟生物嗅觉开发的电子系统，一般包括采样单元、检测单元和计算单元，在检测单元中，传感器阵列将待测气体的成分和浓度等信息转化为电信号，从而实现对有害气体的监测和报警。作为电子鼻的核心器件，气体传感器具有体积小、测量方便、成本低、使用时间长、能用于现场监测的特点，在生活和生产中有很高的应用需求。

20世纪60年代，Wilkens和Hartman利用气体在电极上的氧化还原反应研制出了世界上第一个气体检测器，80年代，Persaud等提出了利用气体检测器模拟生物嗅觉，这是电子鼻的雏形。如今，气体传感器迅速发展，在大气质量检测、食品安全检测、工业生产和健康医疗等方面都得到了广泛应用。根据工作原理不同，气体传感器可以分为多个种类，下面就慧闻科技的电子鼻所使用的气体传感器进行简单介绍。

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MEMS气体传感器

MEMS型气体传感器是基于MEMS工艺开发的半导体气体传感器，半导体型传感器直接根据电学性能的变化来确定气体浓度，最常用的是电阻型半导体传感器， 1962年，Tetsuro等人利用ZnO薄膜在还原性气体中电阻率迅速变化的性质制成了第一个半导体气体传感器，可以用来检测可燃性气体。

与其他类型的传感器相比，半导体传感器具有操作简单、响应与恢复迅速、成本低廉、易于微型化等特点，在生产和生活中应用广泛，尤其是室内环境中挥发性有机污染物(甲醛、苯等)和还原性气体(甲烷、一氧化碳、胺类气体)的检测。

目前普遍认为，电阻型半导体传感器的传感机理是待测气体与材料上的吸附氧发生氧化还原反应，导致敏感材料电阻发生变化，其电阻变化率与待测气体浓度呈指数关系。常温下空气中的O2吸附在材料表面并作为电子受体，从传感材料的导带中捕获电子变成氧负离子。这些氧负离子的具体形式与温度有关：

导带中的电子被吸附氧捕获后，聍型半导体的电阻增大而p型半导体的电阻减小。当暴露于还原性气体中时，化学吸附氧与待测气体发生氧化还原反应，将捕获的电子释放回导带中，使半导体材料电阻恢复。在气敏传感器中，敏感材料是最关键的部分。电阻型半导体传感器通常采用硅以及III—V主族和 II—VI副族元素化合物，这些金属氧化物导带中存在大量自由电子，表面有大量氧空位，因而具有较强的吸附特性和高反应活性。常用的金属氧化物半导体有ZnO、TiO2、SnO2、In2O3、 Fe2O3、WO3、MoO3等。1991年，Yamazoe证明了纳米金属氧化物对增强气体传感器性能有重要作用之后，开发纳米级传感材料成为了研究热点。

科学家们在形貌和尺寸控制、负载贵金属、形成异质结、光照辅助等方面进行了大量研究。其中，在不同的半导体材料之间设计形成异质结构是提高气体传感性能的有效方法，一方面保证了单一金属氧化物的灵敏度，同时异质结的生成可以有效降低工作温度，大大降低了能耗。

除了两种金属氧化物的复合，使金属氧化物与多元化合物复合形成异质结构也成为了研究热点。由于多元化合物具有较高的自由度和协同作用，在此基础上构建异质结可以更有效地提升气敏性能。与简单的金属氧化物复合相比，这种方法最大限度地发挥了异质结和多元化合物的优势。此外，由于导电聚合物的高导电性和独特的掺杂一反掺杂机理，金属氧化物与导电聚合物的复合在室温传感方面有广大的应用前景：碳纳米材料，包括石墨烯和碳纳米管，具有较大的比表面积，其与金属氧化物复合可以有效提高传感器的灵敏度。

目前为止，半导体传感器已经广泛应用于室内外有毒气体和可燃性气体的检测，如CL2、H2S、 H2等，在日常生活和工业生产中保障人民安全。在食品安全领域，低成本的气体传感器不仅能识别肉类产生的腐败气体，判断新鲜程度，还能检测食品添加剂含量，对产品进行分类，辨别产品是否掺假。

《未来展望》

气体传感器虽然在生活中无处不在，但是大部分人对其缺乏感官认识，很多人都没见过传感器，更不知道其工作原理，因为传感器虽然是感知环境的前哨兵，但是同时也是电器中受保护的核心芯片，因此气体传感器对一般人来说还是具有一定的神秘性。但是通过一些实际应用案例，如烟雾报警器、醉酒驾驶检测、空净产品等，我们就可以发现，其实气体传感器已经默默的渗透到了我们周边，这些产品就像一个小鼻子帮我们时刻感知周边环境的变化，关注着我们的人身安全。

随着经济的快速发展，同时健康问题越来越得到关注，大气质量、室内空气质量、车内空气质量监控数据则成为人们随时随地想看到的数据，人们对传感器检测性能的要求也越来越高。气体传感器在这一过程中无疑将扮演更加重要的角色。随着MEMS技术的进步，气体传感器也在向微型化、集成化、智能化的方向发展转化，伴随智慧家庭和智能可穿戴设备等潜力市场的成长，必然不断会有新的气体传感器市场出现。可以说，气体传感器及其应用的电子鼻技术在工业和消费两大市场都已经做好了腾飞的准备。

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