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電子�
閱讀�25180�(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(hào)�(diào)理電�以及模式�(shí)別算法構(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)�(duì)液體中的味道分成�、苦、甜、咸、鮮等五種基本味道。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�(cè)科技的一種,它模仿人?的舌頭及味覺判定,相�(duì)於其他仿生感�(cè)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)�(cè)…等,可�(yù)期將來更可應(yīng)用於�(yī)�(xué)檢測(cè)、居家健檢…等各方��

原理

  電子舌儀器的信號(hào)感測(cè)原理可以分成電化�(xué)式及光學(xué)�。電化學(xué)式又可以分成電壓式,阻抗式及電容式感�(cè)原理,其原里為電極之感測(cè)材料層與物質(zhì)�(chǎn)生生化反�(yīng)�(chǎn)生電信號(hào), 此信�(hào)可以為電�、阻抗或電容。電壓信�(hào)的計(jì)量可以使用電表量�(cè),阻抗及電容信號(hào)的計(jì)量則可以使用電感電容阻抗電表(LCZ meter)量測(cè)。電化學(xué)式原?的電極感�(cè)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�(cè)(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�(cè)電極,材料層為聚咇咯(polypyrrole)及聚苯胺(polyaniline)等類的材�,并� LCZ 電表量測(cè)�

�(fā)展與�(yīng)用現(xiàn)狀

  電子舌經(jīng)歷了一段較長的�(fā)展歷�。近些年來,由于�(yīng)用前景廣�,電子舌得到了很大發(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�(hào)。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(cè)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(hào)。這�(gè)電信�(hào)是味覺物�(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(duì)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(duì)�(yīng)的味道,味覺傳感器有�(duì)化學(xué)物質(zhì)�(jìn)行分子識(shí)別的能力。因此,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(duì)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�(duì)任何食物�(jìn)行預(yù)處理,將飲料一倒�(jìn)杯子就能檢測(cè)出味�,使用味覺傳感器能檢�(cè)出味道隨�(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)碾碎它們;也可用來檢測(cè)工廠排水的污染情�,許多污染物如CN一,F(xiàn)e�,cu�,可以在幾分鐘之�(nèi)檢測(cè)出來。使用多樣回歸分析可以選擇性地檢測(cè)氰化��

  多通道電極味覺傳感器對(duì)味覺物質(zhì)的識(shí)�,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(shì)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的不同的電壓值,每�(gè)電極收集了一些數(shù)�(jù)�(diǎn)。在�(shù)�(jù)處理過程中,選擇起關(guān)鍵作用的�(shù)�(jù)�(diǎn)用來校準(zhǔn)和識(shí)��

  使用�2�(gè)工作電極(鉑和�)的電子舌檢測(cè)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(cè)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(cè)牛奶�(fā)酵和�(xì)菌滋�。檢�(cè)牛奶�11�(gè)樣本,打開包裝要立即�(jìn)�,然后,每隔30min得一�(gè)�。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(cè)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舌,與溫度傳感器一起用來識(shí)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�(shì)分析法和電導(dǎo)分析法的�(jié)�,可改善電子舌的�(shí)別能��

  伏安法具有高敏感�、多功能�、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(duì)�(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�(hào)處理裝置組成。敏感元件又分為分子�(shí)別元件和換能器兩部分,分子識(shí)別元件一般由生物活性材�,如�、微生物及DNA等構(gòu)�。依�(jù)換能器介�(zhì)的不同,生物傳感器可分為電化�(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(duì)氣體或液體的檢測(cè),這里介紹的是幾種用于液體檢測(cè)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(cè),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�,對(duì)硝基酚和二乙基酚的測(cè)定極限為10~mol,在4|D℃以下測(cè)定只需4min,可用于�(cè)定食品中殘留的有�(jī)磷殺蟲劑�

  在現(xiàn)代醫(yī)�(xué),生物學(xué)大分子檢�(cè)已成為臨床診斷的重要手段,人們開始探索用生物傳感器檢�(cè)生物�(xué)大分�,其�,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�(cè)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(hào)傳感�。它通過分子�(shí)別元件感知樣品中是否含有或含有多少待�(cè)生物�(xué)大分子靶序列,換能器將感知的信號(hào)�(zhuǎn)換為可觀察的信號(hào)。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)�(cè)�(duì)�,在液體中可直接獲取信息,可�(shí)�(xiàn)單樣本多指標(biāo)或多樣本單指�(biāo)的檢�(cè)。石英諧振式生物傳感器為臨床上病原性微生物的檢�(cè)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�,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�(cè)上,也可用于�(huán)境水�(zhì)檢測(cè)。據(jù)文獻(xiàn)介紹,一種尿素酶生物傳感器_l,可以檢�(cè)水中的重金屬離子,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(duì)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�(hào)�(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(duì)固定酶產(chǎn)生抑�(t=5min),測(cè)量的電信�(hào)也隨之下�。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�(cè)的下限為5×10一mol/L。檢�(cè)汞離子的試驗(yàn),證明了尿素酶生物傳感器�(yīng)用于水質(zhì)�(jiān)�(cè)的可能��

與電子鼻的結(jié)�

  不論人或�(dòng)物,鼻子和嘴總是離得很近,客觀上造成了從不同角度�(duì)同一食物同時(shí)�(shí)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(duì)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�(cè)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�。用電子舌與電子鼻檢�(cè)四種不同的酒,從檢測(cè)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�,所以,必須有一�(gè)�(biāo)�(zhǔn)化過��

  每一�(gè)�(shù)�(jù)集合被標(biāo)�(zhǔn)化后,對(duì)每一�(gè)四種不同酒的檢測(cè)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�(cè)樣本的從電子舌與電子鼻產(chǎn)生的信息�

  �(duì)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(duì)大的間距要求�

  �(duì)用電子舌與電子鼻的結(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�(duì)蘋果�、橙子汁和菠蘿汁�4�(gè)樣本�(jìn)行檢�(cè)。由PCA和PLS�(jìn)行數(shù)�(jù)處理,其�,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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