氣味識別技術研究綜述＊

陳亭利，王天娜，楊雨婷，葉世鵬，苗卿華

（哈爾濱商業大學，黑龍江 哈爾濱 150028）

目前，世界上還沒有理想的氣味智能化識別技術，這就體現了氣味識別技術所面臨的氣味多樣性和環境的復雜性。本文對國內外氣味信息識別技術相關定義、研究現狀及應用場景進行了全面梳理，從而系統總結了氣味信息智能化識別技術特征。

1 氣味識別技術

氣味識別技術集計算機、氣敏傳感器技術、通信和網絡技術為一體，與移動通信等技術相結合，實現對一定范圍內物品的跟蹤與信息的共享，從而使得物體更加智能化，實現人與物體之間以及物體與物體之間的通信和對話。

氣味識別裝置的工作原理是基于陣列中每個傳感器都對被測氣體有不同的靈敏度。一個典型的氣味識別系統是由多個傳感器陣列、實現模式識別算法的信息處理軟件、可供參考的特征庫等構成。具有交叉敏感特性的氣體傳感器陣列的輸出信號為多維信號，形成不同的氣味響應圖，通過檢測不同的樣本，形成一個特征庫，基于輸入的氣味響應圖進行識別，并與特征庫中的類別進行比較，實現了回歸，可以區分不同測量對象的類別。

目前，還沒有正式的定義，可以說氣味識別技術（Odor Recognition Technology）是氣味識別裝置的應用，通過對象與裝置的接近，獲取待識別對象的相關信息，并為計算機處理系統提供背景，完成相關的后續技術應用。

氣味識別技術是20世紀90年代發展起來的一種快速檢測食品的新穎技術。這項技術通過氣味識別傳感器和氣味識別算法模塊，可以迅速提取出待測物品相關信息，并且能夠指示樣品的隱藏特征。氣味識別技術是由選擇性的電化學傳感器陣列和適當的識別方法組成的儀器，主要功能有氣體檢測及氣體的識別及分類等。氣味識別裝置由氣味操作器、氣味傳感器陣列和信息處理系統3部分構成。

目前，學術界已研發出多種與氣味識別技術相關的氣敏傳感器。這些氣敏傳感器主要包括金屬氧化物氣敏傳感器、金屬氧化物半導體場效應晶體管、表面聲波傳感器、場效應氣敏傳感器、電化學氣敏傳感器、光纖氣敏傳感器等。在這些器件上，通?？梢詫ζ骷牧线M行一定的摻雜，從而實現傳感器的特殊氣敏性。目前，各種表面涂層材料已被開發應用于傳感器器件。

2 氣味識別技術研究進展

氣味作為人類生活不可避免的一類物質，在滿足生命基本需求的同時，更要為人們高品質生活提供安全及舒適的環境。人體各個器官的氣味有顯著的差異性，皮膚、呼吸道和消化道中的揮發性有機化合物有大量的信息，這些信息在傳統中可應用于檢查，也可應用在現代醫學中的肺癌檢查，還可應用于法醫學中鑒定生物特征以及化妝品行業中開發特定香水與除臭劑[1-4]。嗅覺作為一種感受器官，具有感知和識別氣味的功能，具有較高的靈敏度和容錯性，并具有訓練及學習的功能。但同時也存在一定缺陷：①嗅覺容易受外界主客觀因素的影響，且人及動物的嗅覺容易疲勞，不能連續工作；②在某些特定時刻，嗅覺對氣味缺乏評判標準。生物學家、神經生理學家以及化學家，在嗅覺神經傳導機理方面進行了長期的摸索和研究，提出眾多的設想、模型和實驗分析。

19世紀90年代以前，針對氣味信息識別方面還沒有包含大量客觀數據的儀器及先進適合的科學技術，主要工作都需要依靠嗅覺來完成。

20世紀50年代，氣味識別技術已經進入了初步發展階段，眾多學者嘗試模擬生物嗅覺系統并開始研制設備。1961年，MONCRIEFF制造出歷史上第一臺機械式的氣味識別檢測裝置，可以用來檢測出氣體成分[5]。隨后1962年，嗅覺和味覺學術交流會[6]在瑞典斯德哥爾摩成功舉行，此次會議作為國際上最早的氣味識別領域的會議，推動了對人工嗅覺技術的研究。1964年，WILKENS等[7]通過電極上的氣味氧化還原反應原理提出了嗅覺檢測的概念，建立了第一個人工嗅覺模擬系統，由此科學界首次出現了有關人工嗅覺分析系統的相關報道。

20世紀80年代，氣味識別技術到了快速發展階段。1982年，英國的PERSAUD等[8]用SnO2氣體傳感器組合來模擬哺乳動物的嗅覺系統，分析了乙醇、戊基階酸和乙歴等氣體，這是人類歷史上第一次對人工嗅覺技術進行研究。1984年，美國的ZAROMB和STETTER[9]首先探討了氣體傳感器陣列的理論基礎，并將其成功應用于可燃性和有毒的氣體的檢測。同期，英國PERSAUD等人提出了基于氣體分類的智能化學傳感器陣列概念，并制造出由傳感器陣列和模式識別系統所組成的氣味探測器——電子模型嗅覺系統，該系統是一種人工嗅覺系統，作為一種低成本、便攜且可實時檢測的分析工具，通過利用動物的組織、細胞或嗅覺受體等生物材料結合高效的電子傳感器來模仿狗或老鼠的嗅覺，可應用于空氣環境質量評估、公安警犬破案、輔助醫學診斷和食品質量檢測等領域[8-15]。到了1987年，在英國Warwick大學召開的第八屆歐洲化學傳感研究組織年會上，以GARDNER為首的Warwick大學氣敏傳感研究小組正式提出了模式識別的概念[16]，引起了學術界的關注。1989年，北大西洋公約組織（NATO）召開了關于人工嗅覺系統的化學傳感器信息處理會議[17]，進一步明確了人工嗅覺系統的設計[18]。

國內開展氣味分析研究滯后于國外，大多數用于應用研究，范圍涵蓋了肉類、酒品、煙酒以及果蔬等食物和農作物的氣體分析和鑒定[19]。中國科學院研究院黃祖剛等[20]在2004通過氣味識別技術完成對3類香煙的識別。浙江大學研究者周亦斌等[21]在2005年利用PEN2氣味識別裝置對番茄成長過程3個階段半熟階段、成熟階段以及完熟階段分別實施了氣味分析。中國農業大學研究院高永梅等[22]在2008年憑借快速氣相色譜型氣味識別裝置對酒品3類香型（醬香類、清香類、濃香類）逐一進行了檢測。華中農業大學張軍等[23]在2009年通過獨立自主研發四氣體傳感陣列的識別技術和PCA運算將4類新鮮度不同的鰱魚分別展開了鑒定。莊家俊等[24]在2010年利用易攜帶式氣味識別裝置PEN3以及PCA+LD運算對生產批次不同的4類藥品展開識別。2015年徐賽等[25]將3類損傷程度不同的石榴分別進行了監測。2016年殷勇等[26]研究者通過多性能結合的氣味識別技術對5類玉米的霉變程度展開了識別檢測。

3 氣味識別技術的關鍵共性問題

但目前來說，氣味識別技術也存在一些問題：①運營成本相對較高，且容易受到溫度、濕度等環境因素的干擾，穩定性差，使得氣味特征信息提取困難。②現有的數據分析和處理技術需要進一步改進，對于強響應的氣味識別傳感器、已有信息分析、系統識別運算、復雜信息處理等生物仿生技術距離成熟仍然需要進一步的研究。完善這項技術可以憑借互聯網技術的日益成熟，而且需要將已經存在的氣體分析模塊進行改善，伴隨著大數據在互聯網里的廣泛應用，將其充分利用于氣味識別領域或許可成為完善該技術的重要方法。③當下已研發出的氣味識別傳感器的專一性和適應性仍無法實現工業的普及使用，容易受周圍環境的壓力、溫度、濕度等條件的干擾，所以需要研發出適應能力更強的氣味識別傳感器。

4 總結和展望

綜上所述，當前海內外氣味識別仍處于初步研究時期，已有的氣味識別裝置仍存在缺陷，例如氣味識別模塊中傳感器的適應性和專一性不足，在周圍環境發生改變時會產生很大的波動；氣味識別傳感器容易發生化學變化，與周圍氣體分子結合，對識別結果產生影響等。

對于氣味識別裝置與待測物氣體分子之間的反應以及識別裝置響應值發生改變的基本原理了解不夠全面，這也導致氣味識別裝置在工業生產領域未能被廣泛應用。目前對低成本、高性能、小體積，且具有一定抗干擾能力，能夠快速、實時、有效鑒別分析白酒氣味的氣味信息識別技術儀器需求較大。

另外，對于識別中產生的大量數據、識別模塊缺少通用算法，運算缺乏大量數據支持等因素都造成該項技術無法被廣泛應用的原因。因此，研制新一代的氣味識別裝置材料、優化數據處理運算等方面將會成為氣味識別技術未來亟需著手的方面?；谧R別物體的特性，專屬性地研制抗干擾能力強的傳感器裝置，合理地對識別傳感器整列進行排列，從而克服裝置識別過程中的缺陷。依據使用場景的不同優化出最合適的信息分析算法，將是該項技術未來發展的重要方向。