第1章 緒論

1.1 研究背景及意義

對人類來說，嗅覺是嗅覺系統對某種氣體產生感知的一種生理反應，其大致的響應過程如圖1.1所示[1]：氣味分子進入鼻腔后與嗅覺受體接觸，嗅覺受體受到刺激而產生的信號經過嗅覺神經傳遞至嗅球，在這里大量的氣體信息經歷篩選、抑制處理后，經由僧帽細胞傳至梨狀細胞，最后傳導至大腦中樞的嗅覺區域，嗅覺中樞根據經驗給出判決[2]。由人類嗅覺系統的傳感機理可知，在感知氣體的過程中，與氣味分子直接接觸的嗅覺受體起著十分重要的作用，它直接承擔著獲取氣體特征信息的任務。研究發現，人類嗅覺系統中的嗅覺受體既能同時感受多種氣體又能對不同的氣體表現出不同的靈敏度，即同時具有廣泛響應性和交叉敏感性[1]。

實際生活中，某些氣體可以使人類產生強烈的反應，如有人聞到濃郁的花香會劇烈地打噴嚏；有些氣體不能使人類嗅覺系統產生響應，如氧氣、氮氣等，這些氣體對人類來說是無味的，人類也就不會有響應。一般來講，人們對有味的氣體關注度更高，經常忽略無味或對人類嗅覺器官刺激較弱的氣體，而這些無味或者刺激性較弱的氣體往往對人體有巨大的危害。如標準狀態下呈無色無味的一氧化碳極易與血液中的血紅蛋白結合形成碳氧蛋白，而碳氧蛋白不具有攜帶氧氣的能力，這會使人因缺氧而窒息；又如室內建材揮發的一些氣體（如醛、苯類化合物等）具有刺激性，但刺激性小且釋放緩慢，人們往往放松對它們的警惕，最終出現頭疼、頭暈、四肢乏力，甚至免疫力下降、呼吸困難等癥狀。綜上可見，人類嗅覺系統并不是萬能的，也存在一些缺陷，例如：

① 不能對所有氣體產生響應；

② 嗅覺器官的敏感性存在個體差異，無法形成統一的氣體鑒別標準；

③ 對危險氣體沒有預測、報警能力等。

但是，人類并沒有因此切斷通過氣味認知事物的路徑。相反，隨著科技的發展，研究人員投入了更大的精力來探索對氣體的感知。1982年，英國華威大學的K. Persaud等模仿人類嗅覺系統的結構和機理提出了一種用于氣體檢測、分析和識別的電子系統[3]，簡稱人工嗅覺系統，又稱電子鼻（electronic nose）。1994年，同樣在華威大學工作的J.W. Gardner和P.N. Bartlett給出了電子鼻的具體定義，即電子鼻是由多個性能各異的化學傳感器和適當的模式識別系統組成的、能識別單一或復雜氣體的裝置（An electronic nose is an instrument, which comprises an array of electronic chemical sensors with partial specificity and an appropriate pattern-recognition system, capable of recognizing simple or complex odors）[4]。作為一種仿生嗅覺系統，電子鼻的基本結構包括氣體傳感陣列、信號預處理單元和模式識別單元[5]。圖1.2所示為電子鼻系統與人類嗅覺系統的對比。

對比電子鼻系統和人類嗅覺系統的傳感機理可以發現：電子鼻系統中的氣體傳感陣列相當于人類嗅覺系統的嗅覺受體，它對氣體分子進行吸附和解吸附，并將其轉化為電信號；信號預處理單元相當于嗅球，它負責對氣體傳感陣列產生的電信號進行調制、放大、濾波等；模式識別單元相當于大腦中樞，它對預處理信號進行特征提取和模式分類，并給出對氣體的判決結果[1]。

近三十年來，傳感技術、電子技術和信息處理技術的不斷發展，促進了電子鼻相關技術的快速發展。目前，市場上已經有一些較為成熟的電子鼻產品，如法國Alpha MOS公司的FOX系列、瑞士SMart Nose公司的Smart Nose系列、德國Airsense公司的PEN系列、德國Lennartz Electronic公司的MOSES系列以及美國Electronic Sensor Technology Inc.公司的ZNose系列等，具體信息如表1.1所示[5]。這些產品以其氣體檢測快速、客觀的優勢被應用在食品安全[6, 7]、肉質鑒定[8]、醫學臨床[9, 10]、環境監測[11]、公共安全[12]等領域。

這些電子鼻產品雖被應用到多個領域，但并沒有得到廣泛推廣，主要原因是承擔電子鼻氣體傳感任務的核心部件——氣體傳感系統的性能仍不夠完善，具體表現在兩個方面：

① 常規電子鼻的傳感陣列規模較小、響應范圍窄，限制了電子鼻可檢測氣體的種類；

② 構成電子鼻傳感陣列的傳感器受環境影響大，且存在價格昂貴、響應/恢復速度慢、易中毒等缺陷，影響了電子鼻的檢測精度和應用場景范圍。

因此，急需尋找一種優良的、穩定的氣體傳感方法來改善電子鼻的性能，提升電子鼻的應用前景。

就目前來看，可以考慮用復合光吸收氣體傳感技術承擔核心的氣體傳感任務。具體來講，在以復合光為媒介的氣體傳感系統中，選擇合適的光譜探測模塊，可將輸入的復合光分解成大量獨立的傳感單元，而根據光自身的特性可知，由這些傳感單元構成的傳感陣列同時具有廣泛響應性和交叉敏感性，滿足電子鼻對其傳感陣列的要求。這種技術的優點如下：

① 傳感單元的數量可達數萬甚至數百萬（光譜分辨單元的個數），規模遠遠超過現有電子鼻的傳感陣列；

② 響應/恢復速度快、不存在中毒問題；

③ 具有較寬的光譜范圍，可實現多種類氣體同時、在線檢測；

④ 光傳感無接觸的氣體檢測方式，可對高溫度、高濕度、高腐蝕性氣體進行檢測。

基于上述原因，我們提出面向電子鼻的復合光氣體傳感方法，以改善現有電子鼻氣體傳感陣列的性能，拓寬電子鼻的應用前景。