電子鼻（e-nose）系統已經成為氣體和氣味分析的變革性工具，其利用納米材料、傳感器陣列以及機器學習（ML）技術的進步，實現對生物嗅覺的模擬。電子鼻有望替代或補充傳統氣體和氣味分析方法，傳統的分析方法往往成本高昂、檢測速度緩慢且樣品制備復雜。電子鼻憑借自動化、便攜性以及現場檢測的能力，可實現快速低成本分析，這對眾多關鍵應用場景而言至關重要。
人類鼻 vs. 電子鼻
據麥姆斯咨詢報道，近日，保加利亞加布洛沃技術大學（Technical University of Gabrovo）和波蘭圣十字工業大學（Kielce University of Technology）的研究團隊綜述了電子鼻技術的最新進展，重點介紹了電子鼻在傳感器設計（例如石墨烯基納米材料傳感器、MEMS傳感器及光學傳感器）、漂移補償技術以及人工智能（AI）驅動的數據處理方面的創新。這項研究重點展示了電子鼻在醫療保?。ɡ缤ㄟ^呼吸分析實現非侵入性疾病診斷）、食品質量監測（例如食品變質檢測和真偽鑒別）及環境管理（例如污染物跟蹤和廢水處理監測）等領域的關鍵應用。這項研究強調了電子鼻憑借便攜性、實時檢測及成本效益，具備替代傳統分析方法的潛力。電子鼻技術未來發展方向包括可擴展的制造工藝、魯棒的機器學習模型和與物聯網（IoT）集成，以進一步推動其在實際應用的普及。相關研究內容以“Modern Trends in the Application of Electronic Nose Systems: A Review”為題發表在Applied Sciences期刊上。
電子鼻結構與功能的發展趨勢
全面探討電子鼻時，應明確區分三個核心維度（如圖1）：（1）最基礎的是實現信息采集的氣體傳感器；（2）各類機器學習模型（數據處理方法）；（3）具體模型訓練方法取決于電子鼻系統的預期用途。
圖1 電子鼻系統的氣體傳感器、數據處理方法以及典型應用
這項研究聚焦于電子鼻的主流應用領域，但需要結合機器學習模型進行探討。而理解電子鼻的工作原理，需要掌握其所用氣體傳感器的相關知識。因此，表1總結了不同類型氣體傳感器的應用領域、優勢及局限性。表2總結了電子鼻所使用的機器學習技術、各類方法的優勢以及本研究中提及的用例。表3總結了氣體傳感器所用傳感材料。
表1 氣體傳感器類型概述
表2 機器學習技術概述
表3 傳感材料概述
值得注意的是，各類傳感器發展的共性趨勢可為電子鼻未來創新提供思路。一種是“柔性傳感器”，其特征是能夠被擠壓變形，從而適應皮膚等多種表面而不會喪失其傳感性能。另一種是“自供電傳感器”，這類傳感器利用電壓感應現象（例如RFID）或壓電效應實現能量供給，從而無需配備和更換電池。還有一種是將傳感器與人工智能（AI）相結合，這種發展趨勢與傳感設備的小型化及便攜化發展密切相關。
電子鼻技術的應用領域
在現代醫療保健領域，電子鼻技術已徹底革新了非侵入性診斷方法。通過檢測呼氣、尿液和血液中的揮發性有機化合物（VOCs），電子鼻系統實現了從傳統的侵入性、高成本且耗時的診斷技術向新型診斷模式的轉變。近年來，傳感器材料、機器學習和AI領域的創新突破顯著提升這些電子鼻設備的檢測精度、便攜性和臨床適用性，推動其融入多元化醫療場景。
食品檢測和分類方面的進展包括：（1）雙金屬氧化物傳感器與卷積神經網絡-長短期記憶模型（CNN-LSTM）相結合，實現氣體定量檢測（RMSE 2.3）；（2）將20個傳感器的電子鼻系統優化至僅用6個傳感器，仍可實現90%的餅干分類準確率；（3）用于農產品監測的便攜式電子鼻系統。深度學習模型可對番茄成熟度進行分類（準確率86%）。研究人員還開發了搭載溫控傳感器和機器學習（支持SVM/RF算法）的電子鼻，通過VOCs分析檢測卡西（Khasi）柑植物的鹽度脅迫，準確率高達98.3%，該結果通過葉綠素和熒光測量進行了驗證。
圖2 基于MICS-6814氣體傳感器的便攜式電子鼻，用于檢測一氧化碳、二氧化氮、氨氣
人工神經網絡（ANN）可通過優化傳感器線性度、減輕溫度干擾，實現快速定性/定量氣體鑒別，展現了電子鼻在環境監測領域的應用潛力。電子嗅覺系統也可應用于環境過程管理。工業領域已有電子鼻應用案例，該技術可分析受損油品和電纜的異味，從而實現設備早期故障檢測?；陔娮颖堑?span textstyle style="font-weight: bold;">汽車安全系統可以自動檢測車內有毒氣體并采取保護措施。傳感器檢測特定氣體的成本不斷下降，再結合先進信息處理技術，使得復雜的氣體檢測解決方案日益普及，例如低成本電子鼻傳感器可用于各類環境監測應用。
電子鼻系統的需求因其應用領域而異。表4簡要總結了在醫療、食品和環境等領域對電子鼻傳感器和數據分析方法的特殊需求。
表4 特定應用領域對電子鼻系統的要求和挑戰
總結和展望
綜上所述，這項研究表明，電子鼻技術可在醫療診斷、食品質量控制和環境監測等眾多領域引發重大變革。電子鼻技術已被證實其不僅能補充傳統的氣體和氣味分析方法，甚至可以替代那些成本更高、耗時更長的傳統分析方法。電子鼻系統正在發展成為一個日益成熟的技術領域，可以對產業變革和提升生活質量產生深遠影響。盡管在氣體傳感器優化和數據處理方面已取得顯著進展，但要充分釋放電子鼻技術的潛力，仍需通過跨學科協作來解決問題。未來，從智能家居與醫療保健，到農業生產的輔助支持與環境保護監測，電子鼻系統將逐步融入日常生活的方方面面。電子鼻的實時分析氣味能力因其可及性、經濟性和普及性而顯得尤為重要。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/app151910776
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