可視嗅覺電子鼻設(shè)計及其對三甲胺的定量檢測*

侯 震,楊建華,唐忠林,陳立偉

(西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院,西安 710072)

三甲胺是一種具有魚腥氨氣味的有毒有害揮發(fā)氣,對人類的嗅覺閾值為 510×10-12。三甲胺的存在及其濃度是評估肉類和魚類食品質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)[1-2],是表征某些代謝缺陷疾病的氣味標(biāo)識[3],是環(huán)境惡臭污染控制的主要對象,是某些工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量控制的關(guān)鍵參數(shù)[4-5]。目前對三甲胺的檢測方法主要包括氣相色譜法,離子色譜法,質(zhì)譜法等經(jīng)典的儀器分析方法[6]和使用金屬氧化物傳感器[7-8],導(dǎo)電聚合物傳感器[9]等作為氣體敏感裝置的電子鼻方法。經(jīng)典的儀器方法技術(shù)成熟,有許多成功應(yīng)用的案例,但使用起來費時費力成本高;基于電子鼻的方法方便快捷,前景廣闊,但總的來說還是定性識別的多,定量檢測的少,而且由于敏感原理的限制,在氣體識別的分辨力和氣體檢測的靈敏度以及抗?jié)穸雀蓴_等方面還有待加強[10]。

本文介紹一種可用于對三甲胺進行定量檢測的可視嗅覺電子鼻系統(tǒng)及方法?？梢曅嵊X電子鼻是對人類嗅覺的模擬,它用嗅覺仿生材料作為氣味敏感單元,利用敏感單元陣列與氣味分子接觸前后顏色變化的“味紋”來識別和檢測氣體[11-12]。合理選擇敏感材料,可視嗅覺電子鼻能通過結(jié)合能和選擇性都很高的配位鍵,π-π鍵,以及氫鍵等分子間相互作用對配體分子,芳香族分子和含氫原子的極性分子敏感,在對不同氣體的識別分辨力和對同種氣體的檢測靈敏度上有較大優(yōu)勢[10,13],其中前者也已經(jīng)在我們前期的工作中得到了驗證[14]。

1 可視嗅覺電子鼻檢測裝置的設(shè)計

1.1 氣體敏感單元的設(shè)計

三甲胺是典型的配體分子,可以選用具有配位中心的卟啉和酞菁類化合物作為三甲胺敏感材料。卟啉和酞菁分子在可見光照射下產(chǎn)生 π-π*電子躍遷,在三甲胺分子的配位作用下,其前線軌道能級和對稱簡并度等發(fā)生不同程度的改變[15],使其吸收光譜改變,最終表現(xiàn)為顏色變化。選購了六種敏感材料并用溶液滴注的方法在反相硅膠板上制作了六點可視嗅覺敏感陣列[14]。為了方便平時的儲存和避免實驗過程中不同樣本氣體對檢測裝置的污染,設(shè)計了透明且密封的陣列封裝盒。敏感陣列和封裝盒一起組成可視嗅覺氣體敏感單元,其實拍圖像如圖1所示。平時將封裝盒中充滿氮氣密封后在 5℃條件下避光保存,使用時氣體經(jīng)盒體兩側(cè)的氣管流經(jīng)盒腔并與敏感陣列反應(yīng),從而防止實驗氣體對檢測裝置其它部位的污染。

圖1 敏感陣列和陣列封裝盒的實拍圖像

1.2 顏色傳感器的選擇

可視嗅覺電子鼻通過測量氣體敏感材料與氣體反應(yīng)前后的顏色變化來檢測和識別氣體,因此選擇合適的顏色傳感器非常重要。從儀器研制的角度出發(fā),希望顏色傳感器體積小巧便于集成、測量實時可以全自動操控、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和接口簡單便于在線處理。各種彩色 CCD和 CMOS圖像傳感器可以滿足上述要求。分別對幾款不同等級的 CCD和 CMOS圖像傳感器的顏色測量表現(xiàn)進行了測試,發(fā)現(xiàn)CMOS傳感器的顏色測量值都存在較大的時間漂移現(xiàn)象,在測量的起始階段表現(xiàn)尤為明顯,而CCD傳感器的表現(xiàn)則較為穩(wěn)定。圖 2為一款 24位消費級 CCD傳感器與某款價格相當(dāng)?shù)墓I(yè)級 CMOS傳感器在 20 min內(nèi)對一片反相硅膠板進行顏色測量的情況,三條曲線分別代表傳感器的 RGB三個顏色通道在整個板平面的測量平均值并做了去時間平均處理。對 8位單通道量程,該 CCD傳感器在 20min內(nèi)顏色測量的波動范圍在 ±0.5個單位以內(nèi)。對 9種 NCS標(biāo)準(zhǔn)色的測量表明,該 CCD傳感器對不同顏色的測量表現(xiàn)是一致的。因此本實驗選用了此 CCD器件作為可視嗅覺顏色傳感器。

圖2 CCD和CMOS圖像傳感器的顏色測量穩(wěn)定性比較

1.3 照明光源的設(shè)計

照明光源是影響顏色測量的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)卟啉和酞菁類的典型吸收光譜[13],本實驗選用YAG熒光粉封裝的白光 LED作為測色照明光源,其發(fā)射光譜與卟啉和酞菁的典型吸收光譜有較好的一致性。由于 LED光源具有較強的指向性,結(jié)合所設(shè)計的可視嗅覺檢測裝置的總體結(jié)構(gòu),設(shè)計了一種特殊的反光曲面并輔以適當(dāng)?shù)纳⒐馔苛?使 LED光源發(fā)出的光均勻地漫射在整個敏感單元的表面,并可以在觀測條件下消除陣列封裝盒透光表面的鏡面反射。用一塊干凈反相硅膠板對光源照明的空間均勻性進行了測量。對應(yīng) 6點敏感陣列的結(jié)構(gòu),將測試板分成 6塊子區(qū)域,各子區(qū)域的顏色測量差值在一個單位以內(nèi)?？紤]到硅膠板本身的顏色不均勻,認(rèn)為光源照明是比較均勻的,與 CCD測色的時間波動幅度相當(dāng)。

2 可視嗅覺對三甲胺的定量檢測實驗

2.1 可視嗅覺電子鼻檢測系統(tǒng)的設(shè)計

可視嗅覺電子鼻檢測系統(tǒng)如圖 3所示。流量計(LZB-3,銀環(huán)流量)的量程為 60～600mL/min,微型真空泵(VM 8001-12V,成都銳意)的最大真空度為80 kPa,檢測裝置通過 USB接口與上位機通訊。通過三通閥切換樣本氣和氮氣,通氮氣的目的包括清洗氣路和在進行敏感陣列的重復(fù)性實驗時對陣列進行復(fù)原。檢測裝置底部設(shè)計有敏感單元的安裝座,對每種氣體樣本分別用一個敏感單元進行檢測。

圖3 可視嗅覺電子鼻檢測系統(tǒng)

2.2 不同濃度樣本氣體的配置

使用氣體采集袋靜態(tài)配氣法配置各種氣體濃度。分析純?nèi)装匪芤嘿徸躁兾魇』？傉?氣體采集袋(PL-S-5,美國 PL)為 5L標(biāo)準(zhǔn) TEFLON采樣袋,稀釋氣為高純氮氣。根據(jù)美國化學(xué)文摘社(CAS)頒布的安全標(biāo)準(zhǔn)(CAS Reg.No.75-50-3,2008,06)和我國惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB14554-93),實驗中配置的各種濃度樣本為：170×10-6(接觸 8 h可致命的最低濃度);51×10-6(接觸 8 h可造成永久或重大傷害的最低濃度);25×10-6;8×10-6(接觸 8 h以內(nèi)會引起不適但不會造成嚴(yán)重傷害);2×10-6;500×10-9;125×10-9(我國惡臭標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的引起環(huán)境惡臭污染的濃度中間值);50×10-9(用以測試系統(tǒng)的檢測靈敏度)。

2.3 實驗方法

用高壓氮氣吹洗氣路后,調(diào)節(jié)流量計和真空泵使氣體流量保持在 200 mL/min。安裝好氣體敏感單元,把某種濃度的樣本氣袋和氮氣袋分別接在可視嗅覺電子鼻檢測系統(tǒng)的對應(yīng)進氣口上,調(diào)節(jié)三通閥,先通氮氣 5 min,再通樣本氣體 6 min,接著通氮氣 9 min,如是重復(fù)三個周期完成一次檢測,其間每20 s拍照一幅。對每種濃度的樣本氣體分別用三個敏感單元進行三次檢測。

3 結(jié)果與討論

3.1 敏感元素對氣體樣本的顏色響應(yīng)過程

本文對所有顏色測量值都進行了如下預(yù)處理：敏感陣列上各敏感元素的顏色用元素中心區(qū)域內(nèi)200個像素的平均 RGB值表示,對一次測試全程的各敏感元素的各顏色通道的顏色測量值序列進行五點復(fù)合濾波處理,復(fù)合算法包括中值濾波和平均濾波。

對于配置的前 7個濃度,取某次檢測的第 1個氣體響應(yīng)周期進行分析。陣列上某點敏感元素對這7種濃度三甲胺氣體的顏色響應(yīng)情況如圖 4所示,圖中橫坐標(biāo)表示 CCD傳感器拍攝的圖像幀序數(shù),幀與幀間隔 20 s;縱坐標(biāo)表示各幀上該敏感元素的顏色相對于第 15幀上該元素顏色的差值。由于卟啉和酞菁的可見光吸收帶主要位于藍綠光譜區(qū),所選敏感元素的紅色(R)通道對各種樣本氣體幾乎沒有顏色響應(yīng),故圖中只給出了藍色(B)通道(0水平坐標(biāo)以下)和綠色(G)通道(0水平坐標(biāo)以上)的響應(yīng)值。從圖 4可以看出,在三甲胺的作用下,所選敏感元素的藍色通道值減小,綠色通道值增加,不同濃度下的顏色增減速率和幅度各不相同。對 25×10-6及以下濃度的三甲胺,在反應(yīng)后再通氮氣的 9 min內(nèi),該敏感元素顏色能夠復(fù)原;對 51×10-6和 170×10-6的三甲胺,反應(yīng)后再通氮氣 9 min不能使敏感元素復(fù)原。該敏感元素對 25×10-6及以上濃度的分辨能力很強,對 8×10-6以下濃度的分辨能力逐漸減弱,其中綠色通道的分辨力要好于藍色通道。其它敏感元素有類似的響應(yīng)形式,但其顏色響應(yīng)速率和幅度,可重復(fù)響應(yīng)的濃度閾值和濃度分辨力等互有差別,它們的差異性響應(yīng)構(gòu)成了能對各種濃度三甲胺氣體進行定量檢測的顏色響應(yīng)“味紋”。

圖4 某敏感元素對不同濃度樣本氣體反應(yīng)的顏色變化過程

3.2 基于響應(yīng)動態(tài)過程的特征提取

對于 6點敏感陣列,對測試氣體的顏色響應(yīng)共有 18個信號通道。對不同濃度的樣本氣體,在一個測試周期的后 15min內(nèi),這 18個顏色信號通道的變色速率,變色幅度和顏色回復(fù)情況等綜合信息各不相同,可構(gòu)成三甲胺濃度檢測的顏色“味紋”?？捎霉?1)提取可視嗅覺電子鼻對濃度為 x的三甲胺樣本氣的響應(yīng)特征向量：

式(1)中,RGB代表各敏感元素的紅綠藍三個顏色通道。對各顏色通道,以 ΔRmn為例,m取值范圍為從 1到 6,分別表示敏感陣列上的六個敏感元素;在第一個測試周期內(nèi) n的取值范圍為從 1到45,為測試周期后 15 min內(nèi)通三甲胺和通回復(fù)氮氣后拍攝的第 16到第 60幅圖與通三甲胺前第 15幅圖的幀差值,幀間時間差為 20 s。以第 15幅圖的顏色狀態(tài)表示敏感陣列反應(yīng)前的初始狀態(tài),這樣ΔRmn表示敏感陣列上第 m個元素的紅色通道在響應(yīng)的第 20 s的值相對于初始值的差值。特征向量clRepFtx全景式地反應(yīng)了各種濃度的三甲胺對可視嗅覺敏感陣列顏色的影響,可構(gòu)成反應(yīng)樣本濃度的完備特征。

3.3 顏色響應(yīng)特征的主成分分析

選用通三甲胺后的第 40 s,第 60 s和第 120 s構(gòu)建特征向量,對應(yīng)公式(1)中下標(biāo) n的取值為 1,3,6。這樣對每次測試,可以得到一個 48維的特征向量,對前 7個濃度的總共 21次測試,可以得到一個48×21的特征矩陣。對該特征矩陣進行了主成分分析(PCA),求出各特征向量的主分量,并將各特征向量在第 2和第 3主分量上投影可得到圖 5a所示的特征向量主成分得分圖。從圖 5a可以看出,可視嗅覺電子鼻對不同濃度三甲胺響應(yīng)的特征向量在第2和第3主成分平面上的投影是線性可分的,表明所設(shè)計的可視嗅覺電子鼻能對這 7中不同濃度的三甲胺氣體進行正確區(qū)分。在圖 5a中,顏色響應(yīng)模式相差很大的170×10-6和 125×10-9的投影點反而靠的比較近,這是因為這種反差能量主要集中在第一主分量,如圖5b所示,在這里可視嗅覺電子鼻對 170×10-6濃度三甲胺的響應(yīng)特征向量投影遠離其它濃度,與圖 4中的情況相一致。圖 5b中的內(nèi)嵌框圖為去除 170×10-6映射后的第一和第二主分量得分圖,可以清楚地看出各種濃度的三甲胺是線性可分的。

圖5 可視嗅覺電子鼻對不同濃度三甲胺響應(yīng)的特征向量主成分得分圖

3.4 檢測靈敏度和顏色響應(yīng)的重復(fù)性

在實驗程序設(shè)計中就可視嗅覺敏感單元對各種濃度三甲胺樣本響應(yīng)的重復(fù)性進行了測試,并用 50×10-9的濃度樣本對系統(tǒng)的三甲胺檢測靈敏度進行了檢驗。結(jié)果表明,就所進行的實驗流程而言,可視嗅覺敏感單元對 25×10-6及以上濃度的三甲胺氣體響應(yīng)后不能通過 9min的氮氣清洗復(fù)原,對 8×10-6及以下濃度的三甲胺氣體可以重復(fù)檢測。即使對 50×10-9的低濃度,所設(shè)計的可視嗅覺電子鼻也有明顯的響應(yīng)信號。對 8×10-6和 50×10-9,在一次檢測的三個周期內(nèi),可視嗅覺敏感陣列上各敏感單元的所有 18個顏色通道相對于初始狀態(tài)顏色改變值的絕對和如圖 6所示?？梢妼τ诎踩珴舛纫韵碌娜装窔怏w,可以用同一片可視嗅覺敏感陣列進行重復(fù)檢測,危險濃度會造成敏感陣列響應(yīng)飽和與不可逆。50×10-9的檢測靈敏度要高于現(xiàn)有的絕大多數(shù)三甲胺檢測方法,而且就單純的閾值檢測來說,本文所介紹的系統(tǒng)能夠達到比 50×10-9更低的檢測限。

圖6 敏感單元的顏色響應(yīng)重復(fù)性曲線

4 結(jié)論

在設(shè)計的可視嗅覺電子鼻敏感單元中,所選擇的敏感材料分子主要與三甲胺分子發(fā)生配位作用并顯示為顏色變化。配位作用是分子間一對一的相互作用,因此從理論上來說,在單純的背景氣氛下,即使只有一顆三甲胺分子存在也可以被檢測到。然而CCD的像元尺寸(μm級)通常是 3倍量級于卟啉和酞菁的分子尺寸(nm級),因此即使在敏感材料分子單層平鋪和成像條件為等焦物距的理想情況下,一個 CCD像元內(nèi)也有百萬量級的敏感材料分子。一個 CCD像素的顏色測量值實際上是這百萬個分子顏色的分級積累平均。一個三甲胺分子引起一個敏感材料分子的顏色改變量是一定的,假設(shè) K個三甲胺分子的作用可導(dǎo)致 CCD測量值一個單位的顏色改變,那么對于某一確定的敏感單元空間結(jié)構(gòu),K個三甲胺分子所對應(yīng)的濃度就是所設(shè)理想條件下可視嗅覺電子鼻的檢測最低限和濃度分辨率。實際情況要復(fù)雜得多,然而即使這樣,我們設(shè)計的可視嗅覺電子鼻也實現(xiàn)了 ×10-9級的三甲胺檢測靈敏對并能對 7個典型濃度進行正確分類。通過優(yōu)化陣列加工工藝和使用性能更好的成像設(shè)備有望進一步提高可視嗅覺電子鼻的氣體檢測性能,這些工作正在進行之中。

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