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感官智能分析系统(电子鼻/电子舌)
概述

    随着食品感官理论的发展和现代多学科交叉手段的运用,食品感官科学逐渐形成了一套完整的科学体系,成为现代食品科学中最具特色的学科,并以其理论性、实践性及技能性并重的特点,成为现代食品科学技术及食品产业发展的重要。
    用仪器取代人,用智能感官模拟人的感官(耳、眼、鼻、舌和大脑)进行感官评价,一直是人类的梦想和为之奋斗的目标。
    模拟人的感觉器官的传感器技术是一项20世纪80年代发展起来的新技术。如模拟人的嗅觉的电子鼻、模拟人的味觉的电子舌等。
    电子舌(智舌)(Electronic Tongue)是一种主要由交互敏感传感器阵列、信号采集电路、基于模式识别的数据处理方法组成的现代化定性定量分析检测仪器。
    电子舌技术虽然在食品、药品中已显示出比较好的应用前景但仍需进一步成熟和完善。电子舌是模仿哺乳动物特别是人类的味觉系统研制的一种仪器。它主要由味觉传感器阵列、信号采集器和模式识别系统三部分组成。味觉传感器阵列相当于哺乳动物的舌头。由数种对味觉灵敏度不同的电极组成。信号采集器就像是神经感觉系统,它采集被激发的电信号并传输到电脑中。模式识别技术相当于大脑,对传输到电脑中的信号进行数据处理和模式识别,最终得到物质的味觉特征。
    电子鼻(智鼻)系统是继智舌系统之后,最新研制开发的针对挥发性成分检测的一种新型智能感官分析系统。智舌检测对象主要是溶液,电子鼻(智鼻)的检测对象主要挥发性的风味物质。电子鼻与色谱仪等化学分析仪器不同。它获得的不是被测物质气味组分的定性或定量结果,而是物质中挥发性成分的整体信息,即气味的“指纹数据”它显示了物质的气味特征,从而实现对物质气味的客观检测、鉴别和分析。如用于乳制品检测、植物油的分类等。当一种或多种风味物质经过电子鼻(智鼻)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。电子鼻(智鼻)非常适用于检测含有挥发性物质的液体、固体样品。智鼻(电子鼻)技术是对智舌技术的一种传承与创新,也是对整个智能感官技术的丰富与补充。目前,电子鼻(智鼻)的研制和开发受到国内外多家高校与企业的高度关注,并已开始洽谈相关的合作事宜。
    电子鼻(智鼻)系统利用多个具有不同性质的金属氧化物半导体传感器组合成传感器阵列,结合特定的智能自学习、自辨识模式识别算法构建的一类智能嗅觉仿生系统。它主要由三个结构部分组成:(1)传感器阵列;(2)气体进样及采样装置系统;(3)智能模式识别软件系统。
    电子鼻(智鼻)作为一种集电子、计算机、机械、材料、化工、模式识别等多学科交叉的新型智能感官分析系统,能够在食品工业、精细化工、医疗卫生、环境检测等多学科多领域进行应用、发展和推广。和智舌一样,电子鼻(智鼻)采取多传感器交互敏感的设计理念,使得分析检测对象表现出物质的综合本质属性,再结合对应的多元统计分析技术,从物质的特征图谱入手,实现样品的在线、实时、快速检测。相信以智舌智鼻为代表的分析技术有望成为一种普遍的智能感官分析思想方法与技术途径。
    电子鼻经过“训练”后可以很快辨别单一化合
物或者混合气体,通过不同的识别计算系统可以扩大它的应用范 围,直至接近于人和动物鼻子的水平,在某些方面(灵敏度、分辨力等)甚至超过人和动物的鼻子。

电子舌(智舌)原理

    电子舌(智舌)(Electronic Tongue)是一种主要由交互敏感传感器阵列、信号采集电路、基于模式识别的数据处理方法组成的现代化定性定量分析检测仪器。智舌基于惰性金属电极构成稳定的传感器阵列,通过伏安电化学脉冲技术激发实现原创的组合脉冲驰豫谱思想,然后经交互感应解析技术来获取测量对象的整体信息,立足于自主开发的电子电路硬件和计算机智能化算法软件,快速、实时、在线实现对产品的整体特征评价及若干成分定性定量的快速检测与分析。

电子舌(智舌)的应用

    目前,智舌在液体食品如酒类、饮料、茶叶等的真假辨识、品牌企业的产品质量控制与货架期、农残快速检测、病源微生物快速检测等方面有长期实验和应用研究,已经表现出了明显的技术优势,积累了许多成熟的应用范例。
    作为一种新型测试技术,它除提供给相关研究部门、检测部门作为常规科学研究仪器之外,最重要的是为规模化产品提供了现场实时快速检测的智能质量监控手段。

电子鼻(智鼻)系统的来源

    电子鼻(智鼻)设计思想源自于生物感受嗅觉的机制。电子鼻(智鼻)系统中的传感器阵列即相当于生物系统中的鼻子,感受不同的风味物质,采集各种不同的信号信息输入电脑,电脑代替了生物系统中的大脑功能,通过软件进行分析处理,针对不同的风味物质进行区分辨识,最后给出各个物质的感官信息。传感器阵列中每个独立的传感器仿佛鼻腔内的嗅觉细胞一样,具有交互敏感作用,即一个独立的传感器并非只感受一种风味物质,而是感受一类风味物质,并且在感受某类特定的风味物质的同时,还感受另一部分其它性质的风味物质。
    传统的气体传感器的设计思路往往借助特异性传感器感受某种特定的物质,例如乙醇传感器、二氧化碳传感器等,在某些特定的领域发挥了很好的应用效果。然而,当检测食品等复杂非均一的体系时,由于风味成分物质互相交织、种类繁多,由单一传感器组成的系统往往无法反映被测样品整体特征信息。特别是多种风味物质的叠加信息量,需要借助交互敏感多传感器阵列构建的检测系统,我们称之为电子鼻(智鼻)系统。

电子鼻(智鼻)气体进样装置

    气体进样装置主要包括微型真空泵、气室、流量计、电磁阀、节流阀、过滤器、空气净化装置等等。真空泵主要负责将气体输送至装有传感器的气室中。电磁阀用于切换采样泵与清洗泵,防止气体倒灌。节流阀可用来控制气体的流量,流量计可直观的表征气流的速度。过滤器可防止气体中的尘埃物质影响真空泵的工作。空气净化装置可将环境的大气进一步净化提纯,用于系统的清洗、标定、校正工作。

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