可隨身攜帶的電子鼻

簡愛

在生活中，很多人都經(jīng)歷過食物中毒。由于食用了受污染或腐壞的食物，食物中的細(xì)菌或病毒進(jìn)入人體腸道后大量繁殖，導(dǎo)致腸道感染，患者往往會上吐下瀉，嚴(yán)重時甚至?xí){到生命。食品安全一直至關(guān)重要，而其中關(guān)鍵的一環(huán)就是保證食材的新鮮度，這就需要對食物進(jìn)行準(zhǔn)確評估。

新加坡南洋理工大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)院的陳曉東教授等人，聯(lián)合中國江南大學(xué)和澳大利亞莫納什大學(xué)的科研人員，共同發(fā)明了一種人工“電子鼻”，用其來評估肉類新鮮度的準(zhǔn)確率高達(dá)98.5%。

目前，測定肉類新鮮度采用的是揮發(fā)性鹽基氮法。肉類在長期放置過程中，由于酶和細(xì)菌的作用，蛋白質(zhì)、脂肪和糖類三大有機(jī)物被分解，一系列堿性含氮有毒物質(zhì)，如酪胺、組胺、尸胺等被釋放出來。揮發(fā)性鹽基氮法就是通過檢測這類物質(zhì)的含量，進(jìn)而反推肉類的新鮮度。這種檢測需要特定的儀器和環(huán)境，且工序復(fù)雜，效率低，準(zhǔn)確度僅為61.7%。

為了克服這些弊端，研究人員把目光集中到了哺乳動物嗅覺系統(tǒng)的工作原理上。當(dāng)氣體進(jìn)入鼻腔后，接觸到嗅覺上皮細(xì)胞中的感受器，之后嗅覺神經(jīng)將感受器激活成電信號傳給嗅球，嗅球再傳遞給大腦，最終識別氣體，并決定氣體濃度。也就是說，動物嗅覺系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)由兩個部分組成：一是感受器接觸氣體形成類似于“氣味指紋”的神經(jīng)信號;二是信號通過神經(jīng)傳遞給大腦，對“氣味指紋”進(jìn)行解讀。

電子鼻的兩個組成部分——條形碼和閱讀器，正好能模仿動物嗅覺系統(tǒng)。條形碼是由20種不同類型的殼聚糖、染料和醋酸纖維組成的多空納米復(fù)合材料構(gòu)成。當(dāng)被置于待測肉類上時，條形碼中的鹵素染料會根據(jù)氣體類型和濃度發(fā)生交叉反應(yīng)，顯示出彩色條形碼，即“氣味指紋”。在不同濃度的氣體中，條形碼會出現(xiàn) 不同顏色或顏色范圍。

設(shè)計條形碼與肉類揮發(fā)氣體反應(yīng)并不困難，難的是如何讓“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”閱讀器精確地解讀變色的條形碼，并給出新鮮度的結(jié)果。即該電子鼻技術(shù)的核心，是精確解讀變色條形碼信息的一套算法。

研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練條形碼閱讀器，直到系統(tǒng)能準(zhǔn)確根據(jù)條形碼判斷肉類新鮮度為止。他們將條形碼粘在透明聚氯乙烯肉類包裝薄膜上，置于25℃環(huán)境中，在不打開包裝的前提下，使用智能手機(jī)拍攝條形碼圖像，最終得到4161張肉類圖像，并把它們分成兩組：一組3475張用于訓(xùn)練模型，另一組686張用來測試。電子鼻經(jīng)過深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練后，經(jīng)測試，結(jié)果高度精準(zhǔn)，而且整個操作僅需要一張條形碼和一部智能手機(jī)，只要拍下條形碼，使用專門開發(fā)的APP上傳接入云端分析系統(tǒng)，便可迅速得出結(jié)果。需要特別說明的是，條形碼基于生物相容性和環(huán)保原則而設(shè)計，是使用無毒、可降解的生物材料制成的。

理論上講，電子鼻的應(yīng)用遠(yuǎn)不止肉類檢測。比如，食用油在變質(zhì)過程中會酸化，如果要評估食用油的新鮮度，只需檢測酸類物質(zhì)的含量。若將使用領(lǐng)域再擴(kuò)大，電子鼻還可以用在公共安全和危險品檢測方面。