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電子�
閱讀�25193�(shí)間:2011-05-26 17:02:07

  電子舌是一種由交互敏感傳感�陣列�信號�(diào)理電�以及模式識別算法�(gòu)成的智能分析儀�。自20世紀(jì)80年代中期�(fā)展至�,它以快�、簡�、安全等特點(diǎn)迅速在食品�(zhì)量與安全、生�、環(huán)境等�(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用�

概述

  �(xiàn)代科�(xué)對液體中的味道分成酸、苦、甜、咸、鮮等五種基本味�。電子舌(electronic tongue),就是應(yīng)用於分辨液體中味道判定及成份分析的儀�。它是一種可以在短時(shí)間內(nèi)分辨和定量溶液中不同的味�(taste)或化�(xué)成份的儀�。因此電子舌是仿生感測科技的一種,它模仿人?的舌頭及味覺判定,相對於其他仿生感測科技;如人工�、電子鼻而言,電子舌仍有許多未知�(lǐng)域待開發(fā)。電子舌具有分析快�,多用途及可以定性及�?溶液中化�(xué)成份的功�。因此其�(yīng)用的?域很廣泛�?如食品、工�(yè)、環(huán)境監(jiān)測…等,可�(yù)期將來更可應(yīng)用於�(yī)�(xué)檢測、居家健檢…等各方��

原理

  電子舌儀器的信號感測原理可以分成電化�(xué)式及光學(xué)�。電化學(xué)式又可以分成電壓�,阻抗式及電容式感測原理,其原里為電極之感測材料層與物質(zhì)�(chǎn)生生化反�(yīng)�(chǎn)生電信號, 此信號可以為電壓、阻抗或電容。電壓信號的�(jì)量可以使用電表量�,阻抗及電容信號的計(jì)量則可以使用電感電容阻抗電表(LCZ meter)量測。電化學(xué)式原?的電極感測膜材料一般多使用脂質(zhì)/高分子膜,商用產(chǎn)品也是如�。但是有一些研究者也嘗試使用貴重金屬電極作脈沖電壓式的量�(pulsed voltammetry) 。例如巴西的研究者M(jìn)attoso [6]嘗試使用六�(gè)不同�(dǎo)電性高分子為電子舌之感測電�,材料層為聚咇咯(polypyrrole)及聚苯胺(polyaniline)等類的材�,并� LCZ 電表量測�

�(fā)展與�(yīng)用現(xiàn)狀

  電子舌經(jīng)歷了一段較長的�(fā)展歷程。近些年�,由于應(yīng)用前景廣闊,電子舌得到了很大�(fā)��

  1、多通道電極味覺傳感�

  這種傳感器是�(gè)基于非特定傳感器方法的液體分析多傳感器系�(tǒng),雖�1990年由Toko等人研制�,但它現(xiàn)在仍然是有選擇性和廣泛使用的味覺傳感器�

  這種傳感器由8�(gè)含有類脂膜的電極組成,類脂膜用類脂物�(zhì)組成。類脂膜把味覺物�(zhì)的信息轉(zhuǎn)換為電信�。每�(gè)類脂膜被安裝在帶一�(gè)洞的塑料管上,這樣柱體�(nèi)部就與外界隔�。管的末端用一�(gè)塞子封住,在塞子上安有Ag/Agcl電極。管子盛�3mol/L的KC1溶液�8�(gè)檢測電極被分成兩�,并�2�(gè)電極夾連接。電極由�(jī)械手控制�

  味覺物質(zhì)使類脂膜的電位發(fā)生變�,輸出電信號。這�(gè)電信號是味覺物質(zhì)味道的性質(zhì)和強(qiáng)�,而不是味覺物�(zhì)的數(shù)�。產(chǎn)生不同味覺特征的物質(zhì)的響�(yīng)模式不同,因�,可以很容易區(qū)分每一種味�。因?yàn)�?biāo)�(zhǔn)偏差小于1%,所�,復(fù)檢性非常高。另一方面,味覺傳感器具有與同一味覺組相似的響應(yīng)模式,例如:酸物�(zhì)的樣本HC1、檸檬酸和醋酸具有類似的響應(yīng)模式。NaCI,KC1,KBr這些咸物�(zhì),也具有類似的響�(yīng)模式。對于其它味覺物�(zhì),如苦味、甜味和鮮昧,也適用。味覺傳感器能響�(yīng)它對�(yīng)的味�,味覺傳感器有對化學(xué)物質(zhì)�(jìn)行分子識別的能力。因�,使用多通道味覺傳感器可以輕易地區(qū)分不同的飲料�

  從多通道味覺傳感器對33�(gè)品牌的啤酒的響應(yīng)特征曲線的PCA�(jié)果可以看出:通過PCA�(shù)�(jù)處理�,主元與啤酒味道的濃烈度和清淡度有關(guān),第二主元與啤酒的柔和度和強(qiáng)烈度有關(guān)。味覺傳感器的優(yōu)�(diǎn)就是不用對任何食物�(jìn)行預(yù)處理,將飲料一倒�(jìn)杯子就能檢測出味�,使用味覺傳感器能檢測出味道隨時(shí)間的變化。這種傳感器也能用來分析膠狀或固體食�,如西紅�,可以先用攪拌機(jī)碾碎它�;也可用來檢測工廠排水的污染情況,許多污染物如CN一,F(xiàn)e�,cu“,可以在幾分鐘之內(nèi)檢測出來。使用多樣回歸分析可以選擇性地檢測氰化物�

  多通道電極味覺傳感器對味覺物質(zhì)的識�,實(shí)�(zhì)上是基于類脂膜的。具有關(guān)文獻(xiàn)介紹,味覺傳感器系統(tǒng)的類脂膜具有典型的長期漂移的特征,這�(gè)長期漂移的特征依賴膜的成份和電勢起伏�(xiàn)��

  2、伏安法電子�

  伏安法電子舌由一組貴金屬的工作電極陣列組�,取代了傳統(tǒng)方法中的單一電極。有兩種伏安法:小振幅脈沖伏安法(SAPV)和大振幅脈沖伏安�(LAPV)。電子舌的應(yīng)用選擇了LAPV。用15�100mV的不同的電壓�,每�(gè)電極收集了一些數(shù)�(jù)�(diǎn)。在�(shù)�(jù)處理過程�,選擇起�(guān)鍵作用的�(shù)�(jù)�(diǎn)用來校準(zhǔn)和識別�

  使用�2�(gè)工作電極(鉑和�)的電子舌檢測不同飲料�9�(gè)品牌的桔子汁、兩種類型的橙子汁軟飲料、蘋果汁和巴氏滅菌牛�,發(fā)�(xiàn)這種電子舌能夠區(qū)分不同種類的飲料,通過PCA來處理數(shù)�(jù)。用這種電子舌也能夠檢測飲料的老化、氧化等變化�

  用有5�(gè)工作電極(�、金、銥、鈀、銠)的電子舌,來檢測牛奶�(fā)酵和�(xì)菌滋�。檢測牛奶的11�(gè)樣本,打開包裝要立即�(jìn)行,然后,每�30min得一�(gè)值。在2�(gè)牛奶樣本中加入抑菌劑(疊氮化鈉)來防止細(xì)菌滋�。借助于dip.slide試驗(yàn),每2h檢測牛奶樣本中的�(xì)菌菌�,然�,用參考值來校準(zhǔn)。通過局部最小二�(PLS)回歸算法和借助于反向傳播人工神�(jīng)�(wǎng)�(luò)(BPNN)來�(jìn)行多變量校正�

  �6�(gè)工作電極(�、金、銥、鈀、銠和錸)�2�(gè)離子選擇電極(pH和氯化物)、二氧化物電極和�(dǎo)電率的結(jié)合了伏安法的合成電子�,與溫度傳感器一起用來識別發(fā)酵牛奶樣�,用PCA和BPNN(反向人工神經(jīng)�(wǎng)�(luò))來處理數(shù)�(jù),BPNN用來分類。已�(jīng)證明:伏安法、電勢分析法和電�(dǎo)分析法的�(jié)�,可改善電子舌的識別能力�

  伏安法具有高敏感�、多功能性、簡單性和魯棒�,所以,伏安法成為廣泛使用的分析技�(shù)。但這種方法還存在一些問題,如發(fā)生在不同貴金屬電極上的化�(xué)反應(yīng)的差別還不清�;伏安法電子舌對�(xì)菌的敏感特性不清楚�

  3、生物傳感器生物傳感器由敏感元件和信號處理裝置組�。敏感元件又分為分子識別元件和換能器兩部�,分子識別元件一般由生物活性材�,如酶、微生物及DNA等構(gòu)�。依�(jù)換能器介�(zhì)的不�,生物傳感器可分為電化學(xué)生物傳感�、光生物傳感器及壓電生物傳感器[6;也可按活性材料的不同劃分。生物傳感器可用于對氣體或液體的檢測,這里介紹的是幾種用于液體檢測的生物傳感器(電子�)�

  生物傳感器可用于食品中殘留農(nóng)藥的檢測,如有一種生物傳感器,使用人造酶為活性材�,利用有�(jī)磷殺蟲劑水解酶,對硝基酚和二乙基酚的測定極限�10~mol,在4|D℃以下測定只需4min,可用于測定食品中殘留的有機(jī)磷殺蟲劑�

  在現(xiàn)代醫(yī)�(xué),生物學(xué)大分子檢測已成為臨床診斷的重要手�,人們開始探索用生物傳感器檢測生物學(xué)大分子,其中,石英諧振式生物傳感器是近年�(fā)展起來的用于生物�(xué)大分子檢測的一種新型生物傳感器’。這種生物傳感器是利用石英晶體的壓電效�(yīng)來實(shí)�(xiàn)能量�(zhuǎn)換和信號傳感�。它通過分子識別元件感知樣品中是否含有或含有多少待測生物�(xué)大分子靶序列,換能器將感知的信號�(zhuǎn)換為可觀察的信號。石英諧振式生物傳感器的研制,起源于1959年Sauerbrey等人的研�。這種傳感器的�(yōu)�(diǎn)是能�(dòng)�(tài)、定量地�(jiān)測對象,在液體中可直接獲取信�,可�(shí)�(xiàn)單樣本多指標(biāo)或多樣本單指�(biāo)的檢測。石英諧振式生物傳感器為臨床上病原性微生物的檢測以及多種疾病的早期診斷提供了一種全新的方法�

  微電極陣列電化學(xué)生物傳感�,也是近年來受到�(guān)注的一種生物傳感器。這種傳感器以電導(dǎo)、半�(dǎo)體或離子�(dǎo)電的材料�(gòu)成電極,上涂有一層生物化�(xué)薄膜作為敏感�,如,YonHin和ZhuJian—zhong等人在微電極上固定葡萄糖氧化酶制作了微型葡萄糖傳感器J。Kim等人用MEMS技�(shù)制作了用于全血分析的微型生物傳感器,這種傳感器的工作電極�30×30的微陣列電極�(gòu)成,單�(gè)電極的直徑為6m�

  生物傳感器大量應(yīng)用于臨床和食品檢測上,也可用于環(huán)境水�(zhì)檢測。據(jù)文獻(xiàn)介紹,一種尿素酶生物傳感器_l,可以檢測水中的重金屬離�,其原理是重金屬離子�(huì)抑制酶的活性。這種傳感器把脲酶固定在對氨離子敏感的FET表面,形成了尿素酶場效應(yīng)�(LlI~aenzymeFET)。把尿素酶生物傳感器浸入1�0×10。mol/L尿素溶液�,等到輸出電壓信號穩(wěn)定后,向尿素溶液中加入汞離子溶液,濃度逐漸增大。試�(yàn)�(jié)果表明:加入汞離�,會(huì)迅速對固定酶產(chǎn)生抑�(t=5min),測量的電信號也隨之下降。當(dāng)汞離子濃度逐漸增大�10mol/L�(shí),酶的剩余活性幾乎全部被抑制,檢測的下限�5×10一mol/L。檢測汞離子的試�(yàn),證明了尿素酶生物傳感器�(yīng)用于水質(zhì)�(jiān)測的可能��

與電子鼻的結(jié)�

  不論人或�(dòng)�,鼻子和嘴總是離得很�,客觀上造成了從不同角度對同一食物同時(shí)識別的可能。后�,人們研究發(fā)�(xiàn),各種各樣的食物、飲�,同�(shí)具有味覺和嗅覺的特征。對物質(zhì)分析,同�(shí)使用電子舌與電子�,顯然比單獨(dú)使用其中一�(gè)要精確的��

  用電子舌與電子鼻的結(jié)合檢測酒是一�(gè)比較典型的例子。酒具有味覺和嗅覺的特征,是由于芳香族分子在液體和氣體狀�(tài)下是不同的。用電子舌與電子鼻檢測四種不同的�,從檢測中分別得到八和四維的�(shù)�(jù)陣列。因?yàn)檫@兩種傳感器的輸出量不�,所�,必須有一�(gè)�(biāo)�(zhǔn)化過程�

  每一�(gè)�(shù)�(jù)集合被標(biāo)�(zhǔn)化后,對每一�(gè)四種不同酒的檢測得到一�(gè)十二維的�(shù)�(jù)陣列。兩�(gè)�(shù)�(jù)集合的組合已�(jīng)在十二維空間�(dǎo)致樣本的一種新的表示法,這種表示法同�(shí)包含�(guān)于被測樣本的從電子舌與電子鼻�(chǎn)生的信息�

  對四種酒的區(qū)分效果是令人滿意�。在主元平面組件的相�(guān)配置與電子鼻情形相似,在電子舌的作用�,成功地�(dá)到紅�(2�5)和白�(1�4)的組件之間地相對大的間距要求�

  對用電子舌與電子鼻的�(jié)合來區(qū)分酒以外的其它飲料也�(jìn)行了研究�。電子鼻�10�(gè)催化活性金�,如�、銥、鈀為柵極的MOSFET(金屬氧化物半�(dǎo)體場效應(yīng)晶體�)傳感器和4�(gè)金屬氧化�(Taguchi)傳感�。電子舌�6�(gè)金屬伏安電極組成。用這兩種傳感器對蘋果汁、橙子汁和菠蘿汁�4�(gè)樣本�(jìn)行檢測。由PCA和PLS�(jìn)行數(shù)�(jù)處理,其中,PLS用來建立一�(gè)�(shù)字的分類模型。從PCA知道單獨(dú)使用電子鼻不能區(qū)分蘋果汁和菠蘿汁。另一方面,當(dāng)單獨(dú)使用電子舌數(shù)�(jù)�(shí),橙子汁樣本不能完全從蘋果汁中區(qū)分出�。通過分別使用每�(gè)�(shù)�(jù)集合,PLS模型能準(zhǔn)確區(qū)分所有的樣本。當(dāng)把兩種傳感器的數(shù)�(jù)�(jié)合起來時(shí),能改善分類能力�

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