电子鼻

电子鼻技术在烟草原辅料及产品加工过程中质量控制的应用

一、技术（项目）简介

电子鼻（electronic nose），又称人工嗅觉分析系统（artificial olfactory），是20世纪90年代发展起来的一种新颖的分析、识别和检测技术，是由传感和自动化模式识别系统组成的针对各种气味进行识别的人工智能系统，它的工作原理类似人的鼻子，故称之为“电子鼻”。

电子鼻技术模仿了生物的嗅觉机能，通过传感装置采集多维响应信号，利用多元统计分析方法、神经网络方法和模糊方法进行数学处理，建立识别模式，将多维响应信号转换为感官评定指标值，完成对被测气味定性定量分析结果的智能解释。同普通的化学仪器分析不同，通过电子鼻系统分析得到的不是被测样品中某种或几种成分的定性与定量结果，而是获得被测样品气味的整体感官特征，具有类似鼻子的功能。

目前，电子鼻正以其独特的优越性受到各行各业的青睐，应用范围不断扩大，已经在环境监测、日用化工、医疗卫生、制药工业、空气检测、食品、公安和军事等行业得到有效应用。

在美国，电子鼻已经开始应用在烟草生产中，用于原料的分析和识别等等方面。而在我国，现行的烟草质量鉴别主要用化学成分分析的方法，评价体系简单、难以获得完整信息，如果要完全测出影响烟草质量的成分不仅非常复杂（仅烟气中的化学成分大约有5000种），而且要花费很多时间和费用。因此生产中更强调的是感官鉴别和评价，这种方法又带来主观性强，时间和费用消耗较大，鉴别结果易变、不够客观准确。因此，电子鼻识别技术在评定烟草香气质量方面将会展现出其独特的优越性。

二、技术特点及应用领域

电子鼻技术在香气分析和鉴定中具有不同于仪器分析和感官评价的特点：

1、电子鼻具有新颖的仿生检测技术，与传统成分分析仪器不同，它获得的是被检测样品气味的整体信息，并通过数学分析产生“指纹”图谱，提取样品的本质、隐含性质，用于今后、未知样品的识别和检测；

2、电子鼻的灵敏度很高，气味的检测限可以到达ppb甚至ppt级检测限；

3、电子鼻测定速度快，一般仅需几分钟，能及时反馈信息，调整生产流程中的各项工艺条件，确保质量评价（QA）和质量管理（QC）指标，从而使产品质量得到保证；

4、电子鼻测定范围广。它不仅能测定气体、液体，而且也能测定固体等各种形态的样品。样品不需前处理，极少使用各种有机溶剂，无有毒有害溶剂残留，是一项“绿色”环保的检测技术；

5、避免了靠人体感官测定中的主观因素及其它的人为误差，提高了检测的精确度，而且可以避免人工测定嗅味中因吸入样品对健康带来的不利影响；

同人类的嗅觉相比，电子鼻除具有灵敏度高、检测过程简单快捷外，还具有以下优越性：

1、定性强、安全性高，长时间工作无疲劳，能够胜任多样品、连续化检测，可实现生产的在线监测；

2、检测结果的客观、公正和标准化。电子鼻是依靠基于专家分析结果和反复训练而建立起来的数据库进行识别的，记过很少受外界影响；

3、成本低。

五、应用前景及市场预测

通过本项目在烟草生产中应用，可以使电子鼻通过对原料选择、加工工艺监控、产品品质评判等一系列过程进行客观、亏苏、准确的分析和判定，有效地保证产品品质的标准化、提高产品档次和市场竞争力，从而使本项目的合作企业获得上百万元的直接和间接经济效益。通过本项目，可以将电子鼻这一新型信息技术引进我国烟草加工业的品质控制中，为烟草加工业中产品香气品质控制提供一种客观、快速、准确的评价、检测方法，从而有效地稳定、提高产品品质，增强产品市场竞争力，提升加工企业的品牌和知名度。另外，目前国内假烟充斥市场，对一些“伪而不劣”的假烟的判别很困难，而通过电子鼻技术，可以快速、简捷地对假烟进行判定，并据有科学可靠依据。因此，其间接和长远的经济效益不可估量。

另外，电子鼻是一种客观、快速、准确的香气定性分析手段。在生产企业在线监测中由于替代了普通使用的色谱方法，因此可以减少色谱方法带来的实验室分析污染（有毒有害提取溶剂、废气），以及长期分析造成的检测人员健康方面的威胁。该检测方法既无任何有毒有害物质产生而造成的环境污染，也不会对检测人员造成任何健康影响，是一种绿色健康的检测手段。

电子鼻是模拟动物嗅觉器官开发出一种高科技产品，目前科学家还没有全部搞清楚动物的嗅觉原理。但是随着科技的发展，目前世界上较为权威的一些大学已经开发出具有广泛应用的电子鼻，最著名的要数德国的汉堡大学，是当今世界的传感器领域中具有绝对权威。

电子鼻是利用气体传感器阵列的响应图案来识别气味的电子系统，它可以在几小时、几天甚至数月的时间内连续地、实时地监测特定位置的气味状况。

电子鼻主要由气味取样操作器、气体传感器阵列和信号处理系统三种功能器件组成。电子鼻识别气味的主要机理是在阵列中的每个传感器对被测气体都有不同的灵敏度，例如，一号气体可在某个传感器上产生高响应，而对其他传感器则是低响应，同样，二号气体产生高响应的传感器对一号气体则不敏感，归根结底，整个传感器阵列对不同气体的响应图案是不同的，正是这种区别，才使系统能根据传感器的响应图案来识别气味。

电子鼻的类型很多，主要有气相型、金属氧化物型、光传感型等等。

当今最流行的要数金属氧化物型，目前主要应用在食品、烟草、发酵、香精香料生产、环境恶臭分析等。

1编辑本段研究进展

英国柴郡克鲁城镇的欧斯米泰克公司成功地开发出了电子鼻，试验表明，它能“嗅”出侵蚀病人皮肤伤口的细菌，提醒医生及时采取相应措施。

他研究的电子鼻是由32个不同的有机高分子感应器组成的矩阵，对各种挥发性化合物散发的气味十分敏感，化合物不同，则反应不同。通常，细菌生长时会发出化学气味，电子鼻接触气味后，每个感应器的电阻会各自发生变化。由于每个感应器对应一种不同的化学物质，因此32种各不相同的电阻变化组成的“格式”便分别代表了不同气味的“指纹”。

试验表明，电子鼻只需要数小时便可发现是否有细菌存在。而过去采用实验室化验的方法，通常1至3天才能得到结果。

2编辑本段应用

研究人员相信电子鼻将可能对寻找伤口MRSA和其他细菌的方式带来革命性变化。MRSA是指这样一类细菌，它们对日益普及的抗生素疗法具有抵抗能力。此外，电子鼻技术还可以用于检查其他部位的感染，帮助病人早发现，早治疗。

在1993年，Pearce等人就首次把传感器应用在啤酒检测上，实验室制造的由12个有机导电聚合物传感器组成的系统检测了3

种近似的商品酒，有2种是酿造后再贮存的啤酒，还有1种是淡色啤酒，结果表明：这3种啤酒很容易被鉴别，而且还很快鉴别出一种人为感染的啤酒和未被感染的酒。

3编辑本段特点

电子鼻技术响应时间短、检测速度快，不像其它仪器，如气相色谱传感器、高效液相色谱传感器需要复杂的预处理过程；其测定评估范围广，它可以检测各种不同种类的食品；并且能避免人为误差，重复性好；还能检测一些人鼻不能够检测的气体，如毒气或一些刺激性气体，它在许多领域尤其是食品行业发挥着越来越重要的作用。并且目前在图形认知设备的帮助下，其特异性大大提高，传感器材料的发展也促进了其重复性的提高，并且随着生物芯片、生物技术的发展和集成化技术的提高及一些纳米材料的应用，电子鼻将会有更广阔的应用前景。

4编辑本段其它

研究发现，美国航天局用来监测国际空间站和航天飞机内某种气体成分的电子鼻，还可以用来检测大脑癌细胞。这种名为“Enose”的电子鼻是由美国航天局喷气推进实验室研发的，设计目的是用它探测航天飞机和国际空间站出现的微量的氨渗漏问题。一个由神经外科、癌症以及航天领域专家组成的研究小组，在利用这种电子鼻研究大脑癌细胞转移时发现，电子鼻能够区分健康细胞和癌细胞的不同“味道”，从而使医务人员能准确判定癌细胞群的具体位置，避免其与周围健康细胞发生混淆。

5编辑本段检测癌症

以色列科学家研发出“电子鼻”（electronic nose），只要通过简单的呼吸测试，就可以查出罹患了肺、乳腺、肠和前列腺癌的病人。研究小组发现，这种检测化学物质改变的传感器不仅能分辨出健康人和恶性肿瘤病患的呼吸，还能查出这四种常见的肿瘤。虽然还需要更多工作来完善这项检测技术，但初步成功已经给开发一种便宜、易于使用和携带的早期癌症诊断技术带来了希望。以色列理工学院的库藤说：“如果能通过大规模试验证实早期研究的成果，呼吸检测将和成像技术一样，变成早期癌症诊断的方便手段。” 库藤和同事对177人——包括健康者和不同癌症的患者进行了呼吸检测，要查出癌细胞生长时其表层散发出的不同化学物质。他们的研究发表在英国《癌症》杂志上。而该研究所去年就发现，用黄金纳米粒子制造的传感器，能够通过呼吸测试查出肺癌。

基于神经网络的电子鼻肺癌早期诊断系统

肺癌是目前全世界最常见的恶性肿瘤之一，其发病率和死亡率不断上升。究其原因是肺癌病因不明，发病时间短、转移快、恶性程度高，早期不易诊断，到中、晚期失去了手术机会，患者五年生存率仅为15％左右。

早期发现可使患者五年内生存率提高到70％～80％。所以早期发现、早期诊断、早期治疗是提高肺癌生存率和降低死亡率的关键。肺癌早期通常无特殊症状，几乎不被医生和病人警觉，并且常用诊断方法难以做到早期发现、早期定性诊断。

目前，基于电子鼻的疾病诊断研究主要集中在有关肾病、糖尿病的早期诊断和一些细菌的类型与生长阶段的识别。电子鼻的疾病诊断作为医学诊断无损化的重要方向之一，已经取得了很多成果，但目前还未有通过认证的呼吸诊断仪器的报道。如何进一步改进肺癌的诊断技术、提高各种治疗的疗效等，已经成为近期全世界肿瘤研究领域的重中之重。我国也把肺癌列为全国重点攻关课题。寻找一种更先进的仪器和技术在局部组织发生癌变时即能发现和诊断，即是本电子鼻系统所要完成的工作。本文从相关病理的呼吸气体的侦测和收集、气体传感器阵列的选取及优化设计和模式识别技术的选择等方面对电子鼻肺癌早期诊断系统进行了关键技术的设计，取得了良好的效果。