[发明专利]电子鼻气敏-色谱信息融合和风味物质现场检测分析方法

说明书

本发明提供一种气敏‑色谱多信息融合的电子鼻仪器随时现场检测与分析方法，组成单元包括气敏传感器阵列、毛细管气相色谱柱、气体自动顶空进样、计算机控制与分析、大容量顶空挥发气发生、自动进样升降诸模块，以及辅助气源。在气体进样周期T＝300‑600s内，气敏传感器阵列和毛细管气相色谱柱二模块被测气体进样流量与累积进样量不等，进样时间不同步，感知信息选择与分析时间同步；对被测样品进行一次随时现场检测，得到一个包含响应峰值、出峰时间和曲线下面积的69维感知样本。电子鼻仪器检测多个样品，建立气味大数据，机器学习级联模型因此实现调味品、香料香精、食品、石蜡的现场识别和气味质量等级与主要成分浓度的现场量化预测。

技术领域

本发明—一种气敏-气相色谱多感知信息融合的电子鼻仪器随时现场检测与分析方法，面向以调味品、香料香精、食品、石蜡为代表的气(嗅)味物质一次性随时现场检测与分析需求，涉及人工智能、计算机、分析化学等技术领域，主要解决常规电子鼻仪器灵敏度与选择性不理想问题、色谱法在线性差问题、气敏—气相色谱多感知信息选择与融合问题、和电子鼻仪器随时现场检测与分析问题。

背景技术

气味看不见、摸不着，既是生物嗅觉复杂感知，又是数十、数百乃至数千种挥发性成分的混合体。嗅觉是生物鼻腔大量嗅细胞的复杂感觉，是所有感觉中最为神秘的。2004年诺贝尔生理学或医学奖得主Axel和Buck开创性阐明了生物嗅觉系统工作原理：约1,000个不同受体基因交叉感知气味而形成大量模式(样本)，大脑据此记忆和识别成千上万种气味[1-2]。生物嗅觉系统给人工嗅觉系统即电子鼻理论与应用研究以启发和灵感，工作原理一直受到模仿。

时至今日，人们对气味组成与香型及强度之间的关系还很不清楚，描述术语既抽象又贫乏。呈味物质气(嗅)味质量评定现状是：要么根本没有标准；要么现行标准只依靠人的感觉，评价指标形同虚设。例如，食用植物油现行国家标准GB/T1535-2017等和石蜡现行行业标准SH/T0414-2004均列入了气(嗅)味质量指标，但评定方法完全依赖人的嗅觉。靠嗅闻确定气(嗅)味质量指标值的感官方法不仅评定过程十分繁琐、成本高、客观公正性差、可操作性差，倍受诟病，而且长期嗅闻看似无害的气(嗅)味会对身体产生严重伤害，与人们追求美好生活的愿望和现在的人工智能新时代格格不入。

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(嗅)味的快速检测，用机器学习方法进行气(嗅)味的定性定量分析。电子鼻理论研究现状是，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。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，相关的气(嗅)味现场检测与分析技术已成为食品等行业的核心应用技术；目前的国内电子鼻应用市场基本被法、德等国外产品垄断。在重大需求背景下，电子鼻技术与应用多次列入国家科技部“863”、科技支撑和重点研发计划。

电子鼻仪器对调味品、香料香精、食品、石蜡、卷烟等物质气(嗅)味识别、质量化估计与预测的主要特点是采用一次性随时现场检测与分析工作方式，靠对单一被测样品顶空挥发气的一次性感知进行定性定量分析，单个检测周期固定(例如5-10min)，样品前期准备过程和顶空挥发气抽取流量、持续时间与累计容积固定，检测现场不固定和样品检测间隔不固定，顶空挥发气容积有限，随时检测，随到随测，需配置顶空挥发气发生与恒温装置和顶空自动进样装置。

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(嗅)味的定性定量能力，以实现多种气(嗅)味类型识别和强度与关键成分量化预测。电子鼻仪器实现“随时现场”检测与分析工作方式的基本前提是对被测气味具有显著的感知能力。从应用角度考虑，气敏传感器应达到的性能指标包括：灵敏度足够高(ppm级或以上)，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。