[发明专利]一种气敏-气相色谱多源感知和电子鼻仪器在线检测方法

说明书

本发明提供一种气敏‑气相色谱感知信息融合的电子鼻仪器在线检测方法，电子鼻仪器组成单元包括气敏传感器阵列、毛细管气相色谱柱、气体自动进样系统、计算机控制与分析诸模块，以及辅助气源。毛细管气相色谱柱、气敏传感器阵列和气体自动进样系统这3个模块分位于仪器右侧上、中和下方，计算机控制与分析模块位于仪器左侧。气体进样单周期T₀＝300‑600s，气敏传感器阵列和气相色谱柱二模块被测气体进样流量与累积进样量不相等，进样时间不同步，但计算机控制与分析模块对这两个模块感知信息选择与分析时间同步。电子鼻仪器可循环检测5个对象，循环检测周期最大为T＝5T₀，实现多个生物发酵过程和恶臭污染点长期在线检测与智能分析。

技术领域

本发明—一种气敏传感器阵列与毛细管气相色谱柱相融合的电子鼻仪器在线检测方法，面向以生物发酵、环境恶臭污染为代表的气味变化过程长期自动循环连续在线状态监测与分析需求，涉及人工智能、计算机、分析化学、环境保护、生物工程等技术领域，主要解决气敏传感器阵列灵敏度不够与选择性较差问题、气敏与气相色谱结构与感知信息相融合问题、和电子鼻仪器在线检测问题。

背景技术

嗅觉模拟—电子鼻方法用多个性能重叠的气敏元件组成阵列实现气味的快速检测，用机器学习方法进行气味定性定量分析。电子鼻仪器因具有速度快、非接触、操作简便等特点而备受关注，气味在线检测与分析技术已成为环境保护、生物工程、食品等行业的核心应用技术。电子鼻理论与技术研究现状是，气敏传感器灵敏度已达10^-7(V/V)即0.1ppm数量级，但选择性差，导致电子鼻仪器稳定性、在线性和定性定量能力差；发酵电子鼻等产品更属于国际空白。在重大需求背景下，电子鼻技术多次列入科技部“863”、科技支撑和重点研发计划。

生物发酵、环境恶臭污染过程实时(real-time)预测与控制的前提是多个过程参数的在线(online)检测与分析。环境恶臭污染时间跨度经年累月；生物发酵过程短的1-2天，长的达数十天(例如啤酒发酵)。恶臭污染和生物发酵过程状态变化用“瞬息万变”形容有点夸张，但是，以“小时”为单位的检测与分析周期肯定太长了。我们认为，被测对象的状态1min内一般不会发生很大变化，即检测周期小于1min并不必要；反过来，生物发酵或恶臭污染状态1小时内完全可能发生很大变化，将周期为1小时及以上的定时人工取样“断续”检测看成“在线”检测是不合适的。据此，电子鼻仪器对单一恶臭监测点或单一生物发酵过程(发酵罐)的在线检测与分析周期不宜超过T₀＝10min，对多个发酵罐或多个恶臭监测点的循环在线监测与分析周期T＝n*T₀不宜超过1小时，以此判断一种检测与分析方法是否“在线”是比较合理的。

电子鼻技术主要发展趋势之一是，以多个具有必要灵敏度的气敏器件组成阵列，着重利用大数据和人工智能技术来提高对复杂气味的定性定量能力，进而实现气味类型识别和强度与关键成分量化预测。“长期连续在线检测与分析”是电子鼻的一种主要工作方式，主要面向生物发酵、环境恶臭污染等应用对象的过程自动连续在线监测、在线定性分析与多项主要成分浓度在线预测。特点是，电子鼻仪器靠对发酵尾气/恶臭气体的一次次感知进行定性定量分析，被测气体来源充沛，气体进样单周期固定(例如5min)，气体抽取流量与抽取持续时间固定，周而复始，一个完整的生物发酵和恶臭污染检测过程往往持续数天、数周、数月乃至数年。

电子鼻仪器采用“连续在线”检测与分析工作方式的基本前提是其核心—气敏传感器阵列对被测对象具有显著感知能力。从应用角度出发，气敏传感器应达到的性能指标包括：灵敏度足够高(ppm级以上)，响应速度足够快(1min以内)，工作状态稳定，商品化程度高，寿命长(3-5年)，自身尺寸小，选择性较好。