【工博会专递】气味不再靠“闻” ——记高大启教授研制的“电子鼻”
05.11.2014 17:37
本文来源: 华东理工大学
图片说明：工博会上展示的“电子鼻”
让气味看得见 百度百科说：“嗅觉是一种感觉。它由两个感觉系统参与，即嗅神经系统和鼻三叉神经系统。”嗅觉这种“感觉”，能否转化为可见、可测的数字信号供人们使用呢？能！如前所述，高大启教授研制的电子鼻已经成功实现了这一功能。 “电子鼻最重要的元件就是传感器。”高教授介绍说，电子鼻里含16个传感器，围成一圈。当气体分子经过这些传感器时，它们会产生电信号。这些电信号经过计算机的识别分析，就能知道是什么气体以及含量是多少，“到底什么成分，计算机说了算”。
图片说明：十几条曲线显示了气味的成分
电子鼻是否可靠？高教授微笑着讲起了一个故事。抚顺石油化工研究院是中石化系统最高级别的石化技术研究院。他们每年抽检中石化和中石油系统石油炼制企业的石油蜡产品，组织专业嗅味试验小组对送检企业的石油蜡产品进行嗅味强度等级评定。由于完全靠人用鼻子闻，无法做到客观与公正，这个评定制度屡遭下属企业抵制。“中石化很着急，想用机器取代人，同时把现行的等级评定行业标准升级为国家标准。抚顺石油化工研究院用我们的电子鼻试验了两年多，与专家人工测的基本一致。这也说明我们的机器效果很好啊。”当然，电子鼻获得的上海市技术发明二等奖，对其效果是更好的佐证。 电子鼻的适用范围很广，“具有氧化性、还原性的气体都能测，氧气、氨气、一氧化碳、氢气，有机挥发气体如甲烷、醇、醛、酸、酮等等。”高教授一口气报出了一长串气体的名称。 “工人”挑战国际大公司 高教授的电子鼻项目申请国家发明专利10项，授权4项；发表相关论文105篇，其中SCI论文35篇，他引1000余次。他先后主持4项国家自然科学基金面上项目、1项“863”计划项目、2项上海市重点项目。 知己知彼，方能百战不殆。高教授搞研究没有闭门造车，而是抬眼看世界。“法国的FOX4000气味指纹分析仪售价高达120万人民币。1998年，英国路易公司的气味扫描仪要10万英镑，但是测量时仅能放进10~20毫升样品，气味成分少。我们的电子鼻测试瓶容量有250毫升，能放进20~30毫升样品，有220毫升的大顶空气体容积。”顶空气体容积越大，气体含量越大，就越能测到更淡的“气味”。 也许正是得益于十几年工人的经历，在研制电子鼻时，“核心部件都是自己画图自己做。”这样研制出来的电子鼻才能与国际大公司的产品相抗衡。 同时，他发明“针不动瓶动”采样技术，简单地接上直径6毫米的管子就能持续采样。他还提高了传感器的灵敏度，250ppm、500ppm、1000ppm（注：ppm是气体浓度单位，表示百万分之一）级别的气体都能测。 更值得一提的是，电子鼻的价格与动辄百万的国外产品比起来，非常“亲民”，才10-30万元人民币。 施展拳脚空间广阔 产品怎么样，用户最有发言权。“电子鼻对我们的研究工作很有帮助。”王泽健是我校生工学院的教师，主要研究微生物发酵。他举例说：“红霉素发酵要用到正丙醇，但是需要使其浓度控制在一定范围内，红霉素才能获得最佳的产量。”以前他们靠人工采样分析，“如果发酵罐设在工厂，需要每6—8小时派人去工厂采集一次样品。采集回来的样本经过处理之后才能检测正丙醇的浓度。从取样到检测完毕，又需要3—4小时。”往往检测完毕之后，发酵罐里的情况已经发生了变化，“就导致红霉素的产量不稳定”。 用了高老师的电子鼻后，“只要你愿意，可以每一秒钟取一个样”。王泽健指着显示屏说：“你看，这些曲线都是连续的，我们是实时监测，也不必派人去工厂了，在实验室就能实现远程监测。”记者在显示器上看到，十几条曲线一直在一个范围内波动，有高峰，也有低谷。“我们看到正丙醇含量降下来了，可以立马添加，这样就能一直保持它的浓度，使红霉素达到最高产量。” 红霉素的生产只是微生物发酵的一个例子。微生物发酵涉及范围很广，包括医药、食品、农业、环保、能源等领域，例如抗生素、氨基酸等产品的生产。发酵过程在线检测、控制与优化技术是生物发酵工程的关键技术。在这一点上，高教授的电子鼻做到了。 当然，电子鼻还有更广阔的空间来“施展拳脚”。例如，香料香精的质量评定与生产过程控制，酒类、酱油、醋、卷烟、化妆品、药品等的气味质量评定，室内空气质量监测，食品、饮料气味品质分析，有毒、有害气体监测，工商管理中根据气味判断商品真假等。甚至在海关，电子鼻还能根据气味判断进口商品是否变质以及检测是否有隐藏的毒品。也许，那些辛苦工作的警犬们可以就此“光荣退休”了。
本文来源: 华东理工大学
05.11.2014 17:37