比色傳感陣列在氣味表征中的應(yīng)用

洪麗 許明春 姚其海 李麗鳳 朱振宇 張良

作者簡(jiǎn)介：洪麗（1978—），女，工程師，博士學(xué)位，研究方向?yàn)槠?chē)空氣質(zhì)量設(shè)計(jì)及健康座艙開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)引用格式：

洪麗， 許明春， 姚其海， 等. 比色傳感陣列在氣味表征中的應(yīng)用[J]. 汽車(chē)工藝與材料， 2024（5）： 68-72.

HONG L， XU M C， YAO Q H， et al. Application of Colorimetric Sensor Array in Odor Characterization[J]. Automobile Technology & Material， 2024（5）： 68-72.

摘要：汽車(chē)內(nèi)飾材料種類(lèi)繁多、成分復(fù)雜，單車(chē)型氣味物質(zhì)多達(dá)上百種，極易造成車(chē)內(nèi)異味污染，為提高車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量，參考國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的比色技術(shù)應(yīng)用研究，提出了基于比色傳感陣列技術(shù)的車(chē)內(nèi)氣味檢測(cè)方法，并對(duì)整車(chē)中應(yīng)用較多的內(nèi)飾材料進(jìn)行比色分析，準(zhǔn)確識(shí)別了內(nèi)飾材料樣品的氣味強(qiáng)度、氣味類(lèi)型和氣味愉悅度。首次將比色傳感陣列應(yīng)用于車(chē)內(nèi)氣味客觀表征中，可為汽車(chē)氣味管控提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：比色傳感陣列 車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量 氣味表征

中圖分類(lèi)號(hào)：U465? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230357

Application of Colorimetric Sensor Array in Odor Characterization

Hong Li1， Xu Mingchun1， Yao Qihai1， Li Lifeng1， Zhu Zhenyu2， Zhang Liang2

（1.Anhui Jianghuai Automobile Group Co.， Ltd.， Hefei 230000; 2. China Automobile Data Company Limited， Tianjin 300000）

Abstract： Due to the variety of automotive interior materials， complex composition， and up to hundreds of kinds of odor substances inside each car， odor pollution easily occurs inside the car. In order to improve interior air quality， this study referred to the existing domestic and foreign research on the application of colorimetric technology， proposed an interior odor detection method based on colorimetric sensor array technology， and made colorimetric analysis on the interior materials widely used in the vehicle， accurately identified the odor intensity， odor type and odor pleasure of interior materials samples. In this study， colorimetric sensor array was applied for the first time in the objective characterization of vehicle odor， which can provide data support for odor control in the automobile industry.

Key words： Colorimetric sensor array， In-car air quality， Odor characterization

1 前言

隨著我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和消費(fèi)升級(jí)，車(chē)內(nèi)空氣質(zhì)量成為衡量汽車(chē)座艙品質(zhì)的重要指標(biāo)，汽車(chē)座艙作為消費(fèi)者的重要活動(dòng)空間，對(duì)用戶(hù)的身心健康有直接影響[1]。汽車(chē)內(nèi)飾材料種類(lèi)繁多、成分復(fù)雜，是車(chē)內(nèi)異味污染的主要來(lái)源[2]。近年來(lái)，我國(guó)消費(fèi)者對(duì)車(chē)內(nèi)氣味的投訴量維持在較高水平，對(duì)相關(guān)汽車(chē)品牌造成了一定的負(fù)面影響。

車(chē)內(nèi)氣味來(lái)源的主要內(nèi)飾材料包括發(fā)泡、塑料、皮革、橡膠和輔料等，尤其在夏季暴曬的高溫環(huán)境中會(huì)散發(fā)出更多的揮發(fā)性有機(jī)物，加重車(chē)內(nèi)異味[3]。目前，汽車(chē)行業(yè)對(duì)車(chē)內(nèi)氣味性能的表征方法以專(zhuān)業(yè)氣味評(píng)價(jià)員的主觀評(píng)價(jià)為主，易受評(píng)價(jià)員個(gè)人狀態(tài)影響，且無(wú)法滿(mǎn)足大量氣味檢測(cè)和管控工作的要求[4]。本文以比色傳感陣列技術(shù)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了比色傳感陣列電子鼻及配套設(shè)備，通過(guò)表征材料樣品揮發(fā)出的氣體與比色試紙相接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的顏色變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣味的客觀評(píng)價(jià)。

2 比色傳感陣列在氣味表征中的應(yīng)用基礎(chǔ)

2.1 電子鼻工作流程

近年來(lái)，氣味客觀表征技術(shù)快速發(fā)展，電子鼻等人工嗅覺(jué)系統(tǒng)相繼問(wèn)世，并出現(xiàn)了成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，在醫(yī)藥、食品、環(huán)境等領(lǐng)域已得到應(yīng)用。電子鼻的工作流程主要包括氣敏傳感器陣列信號(hào)采集、信號(hào)預(yù)處理和模式識(shí)別組成，如圖1所示，傳感器將氣味的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，多個(gè)傳感器對(duì)一種氣味的響應(yīng)可以構(gòu)成傳感器陣列對(duì)該氣味的響應(yīng)譜[5]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)氣味的定性或定量分析，必須將傳感器的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理后采用合適的模式識(shí)別分析方法對(duì)其進(jìn)行處理。電子鼻靈敏度高、可靠性強(qiáng)、可重復(fù)，有望在汽車(chē)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

2.2 比色傳感陣列檢測(cè)原理

比色傳感陣列技術(shù)利用金屬卟啉絡(luò)合物等物質(zhì)含有的金屬離子和氣味分子之間的鍵合作用來(lái)識(shí)別氣味分子，特定物質(zhì)與氣味分子接觸后會(huì)吸收光譜，特性發(fā)生改變，呈現(xiàn)出顏色變化。這些物質(zhì)與不同的氣味分子結(jié)合后引起的顏色變化不同（圖2），故可以表征單個(gè)氣味分子的氣味特征信息[6]。因此，通過(guò)選取不同的特定物質(zhì)組成比色傳感陣列，可用于檢測(cè)復(fù)雜的揮發(fā)性氣體混合物。

2.3 比色傳感陣列檢測(cè)特性

本研究基于上述原理設(shè)計(jì)并制備出35陣列比色傳感試紙（圖3），配合比色傳感陣列電子鼻可實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)內(nèi)空氣中常見(jiàn)的烷、烯、醇、醛、酮、酸、醚、酯、胺、芳類(lèi)化合物（單一組分或混合物）×10-9濃度級(jí)別的檢測(cè)。圖4是某氣體樣品與比色傳感陣列試紙反應(yīng)前、后對(duì)比結(jié)果，氣體中的物質(zhì)組分與試紙反應(yīng)，使得不同陣列點(diǎn)位呈現(xiàn)不同的顏色變化。

3 比色傳感陣列氣味檢測(cè)

3.1 試驗(yàn)方法

參考汽車(chē)行業(yè)內(nèi)飾材料氣味評(píng)價(jià)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)VDA 270 Determination of the odour characteristics of trim materials in motor vehicles[7]，制備3份平行的材料樣品氣體，利用35陣列比色傳感試紙及比色傳感陣列電子鼻對(duì)樣品進(jìn)行比色分析，基于比色傳感陣列電子鼻內(nèi)置的氣味識(shí)別模型獲得包含氣味強(qiáng)度、氣味類(lèi)型及氣味愉悅度在內(nèi)的氣味客觀表征結(jié)果。

3.2 氣味識(shí)別模型

比色傳感陣列電子鼻內(nèi)置了K最近鄰（K-Nearest Neighbor，KNN）、支持向量機(jī)（Support? ? Vector Machine，SVM）、隨機(jī)森林、線性回歸、多項(xiàng)式回歸和邏輯回歸6種機(jī)器學(xué)習(xí)算法作為氣味識(shí)別模型。以模型拒識(shí)率、誤識(shí)率、交叉驗(yàn)證識(shí)別率等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選適用于各氣味性能指標(biāo)（氣味強(qiáng)度、氣味類(lèi)型、氣味愉悅度）的氣味識(shí)別算法，確定最優(yōu)的模型參數(shù)[8]。

3.3 試驗(yàn)步驟

取4種聚丙烯（Polypropylene，PP）發(fā)泡材料作為試驗(yàn)樣品，形貌如圖5所示，試驗(yàn)步驟如下：

a. 將4種PP發(fā)泡樣品裁剪成面積為25 cm2、厚度為1 cm的樣品，每種樣品分別制備3個(gè)平行樣；

b. 將裁剪完成的樣品放入容量為250 mL的棕色玻璃集氣瓶中，如圖6所示，比色傳感試紙用磁扣固定在集氣瓶瓶蓋內(nèi)部；

c. 將裝有樣品的集氣瓶放入金屬浴加熱裝置中80 ℃恒溫加熱2 h，如圖7所示，保證樣品揮發(fā)出的氣體與比色傳感試紙充分反應(yīng)；

d. 取出反應(yīng)后比色傳感試紙放入特制的試紙固定裝置中，利用比色傳感陣列電子鼻“單點(diǎn)拍照選圖檢測(cè)”模式進(jìn)行比色分析，如圖8所示；

e. 由氣味評(píng)價(jià)團(tuán)隊(duì)成員對(duì)上述樣品的氣味強(qiáng)度、氣味類(lèi)型及氣味愉悅度進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)；

f. 重復(fù)步驟a～e，獲取多組樣品的檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立PP發(fā)泡樣品的氣味識(shí)別模型；

g. 將待測(cè)樣品重復(fù)步驟a～d后，基于氣味識(shí)別模型計(jì)算得到該樣品氣味強(qiáng)度、氣味類(lèi)型和氣味愉悅度的客觀表征數(shù)據(jù)。

3.4 結(jié)果分析

表1為4種發(fā)泡與其平行樣的比色反應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)可得：發(fā)泡1#的比色反應(yīng)強(qiáng)度為275±12，發(fā)泡2#的比色反應(yīng)強(qiáng)度為137±10，發(fā)泡3#的比色反應(yīng)強(qiáng)度為361±20，發(fā)泡4#的比色反應(yīng)強(qiáng)度為383±10，不同PP發(fā)泡的比色反應(yīng)強(qiáng)度相差較大。

圖9是比色傳感陣列分析得到的PP發(fā)泡樣品比色反應(yīng)強(qiáng)度雷達(dá)圖，可以看出：4種PP發(fā)泡樣品的各陣列點(diǎn)位比色反應(yīng)強(qiáng)度雷達(dá)圖分布形狀各不相同，發(fā)泡1#響應(yīng)最強(qiáng)點(diǎn)位為34，發(fā)泡2#響應(yīng)最強(qiáng)點(diǎn)位為28，發(fā)泡3#響應(yīng)最強(qiáng)點(diǎn)位為3，發(fā)泡4#響應(yīng)最強(qiáng)點(diǎn)位為31，說(shuō)明不同PP發(fā)泡揮發(fā)產(chǎn)生的氣體組成成分差異很大。

表2～表4為4種PP發(fā)泡樣品的氣味性能指標(biāo)客觀表征結(jié)果，分析如下：

a. 由表2可知，發(fā)泡2#的氣味強(qiáng)度等級(jí)客觀表征結(jié)果為2.1級(jí)，與氣味主觀強(qiáng)度等級(jí)偏差0.1級(jí)，其余樣品的氣味強(qiáng)度等級(jí)全部被準(zhǔn)確識(shí)別；

b. 由表3可知，所有樣品的氣味類(lèi)型全部被準(zhǔn)確識(shí)別；

c. 由表4可知，所有樣品的氣味愉悅度等級(jí)全部被準(zhǔn)確識(shí)別。

3.5 其他車(chē)用內(nèi)飾材料測(cè)試

使用比色傳感陣列先后對(duì)塑料、皮革、橡膠、粘合劑等26種內(nèi)飾材料樣品進(jìn)行比色檢測(cè)。氣味強(qiáng)度主客觀檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖10所示，氣味愉悅度的主客觀檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖11所示。由結(jié)果分析可知：所有樣品的氣味強(qiáng)度等級(jí)主客觀檢測(cè)結(jié)果偏差為±0.3級(jí)；有24種材料的氣味類(lèi)型被準(zhǔn)確識(shí)別，準(zhǔn)確度為92.3%；所有樣品的氣味愉悅度等級(jí)偏差為±1級(jí)。表明比色傳感陣列對(duì)材料樣品氣味水平預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，測(cè)試方法可靠，可在汽車(chē)行業(yè)內(nèi)飾材料氣味管控方面得到進(jìn)一步應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用比色傳感陣列技術(shù)，對(duì)發(fā)泡、塑料、皮革、橡膠、粘合劑等常用的車(chē)用內(nèi)飾材料進(jìn)行氣味比色分析，得到氣味強(qiáng)度等級(jí)、氣味類(lèi)型、氣味愉悅度的客觀檢測(cè)數(shù)據(jù)，與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果差異極小，表明比色傳感陣列在汽車(chē)行業(yè)氣味客觀表征中應(yīng)用效果良好。比色技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)的車(chē)內(nèi)氣味檢測(cè)中，克服了傳統(tǒng)主觀氣味評(píng)價(jià)方法易受外界影響，人力成本高的缺點(diǎn)，在節(jié)約成本的同時(shí)，可提高氣味評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。本文以較低成本完成數(shù)十種主要?dú)怏w的特異性濃度檢測(cè)，從而獲得可大規(guī)模行業(yè)應(yīng)用的客觀化氣味強(qiáng)度、類(lèi)型、愉悅度多維表征技術(shù)，還可將氣味等級(jí)、氣味類(lèi)型、氣味愉悅度的評(píng)價(jià)結(jié)果由孤立的單點(diǎn)數(shù)值變?yōu)檩^全面的概率分布。

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