第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

对人类来说，嗅觉是嗅觉系统对某种气体产生感知的一种生理反应，其大致的响应过程如图1.1所示[1]：气味分子进入鼻腔后与嗅觉受体接触，嗅觉受体受到刺激而产生的信号经过嗅觉神经传递至嗅球，在这里大量的气体信息经历筛选、抑制处理后，经由僧帽细胞传至梨状细胞，最后传导至大脑中枢的嗅觉区域，嗅觉中枢根据经验给出判决[2]。由人类嗅觉系统的传感机理可知，在感知气体的过程中，与气味分子直接接触的嗅觉受体起着十分重要的作用，它直接承担着获取气体特征信息的任务。研究发现，人类嗅觉系统中的嗅觉受体既能同时感受多种气体又能对不同的气体表现出不同的灵敏度，即同时具有广泛响应性和交叉敏感性[1]。

实际生活中，某些气体可以使人类产生强烈的反应，如有人闻到浓郁的花香会剧烈地打喷嚏；有些气体不能使人类嗅觉系统产生响应，如氧气、氮气等，这些气体对人类来说是无味的，人类也就不会有响应。一般来讲，人们对有味的气体关注度更高，经常忽略无味或对人类嗅觉器官刺激较弱的气体，而这些无味或者刺激性较弱的气体往往对人体有巨大的危害。如标准状态下呈无色无味的一氧化碳极易与血液中的血红蛋白结合形成碳氧蛋白，而碳氧蛋白不具有携带氧气的能力，这会使人因缺氧而窒息；又如室内建材挥发的一些气体（如醛、苯类化合物等）具有刺激性，但刺激性小且释放缓慢，人们往往放松对它们的警惕，最终出现头疼、头晕、四肢乏力，甚至免疫力下降、呼吸困难等症状。综上可见，人类嗅觉系统并不是万能的，也存在一些缺陷，例如：

① 不能对所有气体产生响应；

② 嗅觉器官的敏感性存在个体差异，无法形成统一的气体鉴别标准；

③ 对危险气体没有预测、报警能力等。

但是，人类并没有因此切断通过气味认知事物的路径。相反，随着科技的发展，研究人员投入了更大的精力来探索对气体的感知。1982年，英国华威大学的K. Persaud等模仿人类嗅觉系统的结构和机理提出了一种用于气体检测、分析和识别的电子系统[3]，简称人工嗅觉系统，又称电子鼻（electronic nose）。1994年，同样在华威大学工作的J.W. Gardner和P.N. Bartlett给出了电子鼻的具体定义，即电子鼻是由多个性能各异的化学传感器和适当的模式识别系统组成的、能识别单一或复杂气体的装置（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]。作为一种仿生嗅觉系统，电子鼻的基本结构包括气体传感阵列、信号预处理单元和模式识别单元[5]。图1.2所示为电子鼻系统与人类嗅觉系统的对比。

对比电子鼻系统和人类嗅觉系统的传感机理可以发现：电子鼻系统中的气体传感阵列相当于人类嗅觉系统的嗅觉受体，它对气体分子进行吸附和解吸附，并将其转化为电信号；信号预处理单元相当于嗅球，它负责对气体传感阵列产生的电信号进行调制、放大、滤波等；模式识别单元相当于大脑中枢，它对预处理信号进行特征提取和模式分类，并给出对气体的判决结果[1]。

近三十年来，传感技术、电子技术和信息处理技术的不断发展，促进了电子鼻相关技术的快速发展。目前，市场上已经有一些较为成熟的电子鼻产品，如法国Alpha MOS公司的FOX系列、瑞士SMart Nose公司的Smart Nose系列、德国Airsense公司的PEN系列、德国Lennartz Electronic公司的MOSES系列以及美国Electronic Sensor Technology Inc.公司的ZNose系列等，具体信息如表1.1所示[5]。这些产品以其气体检测快速、客观的优势被应用在食品安全[6, 7]、肉质鉴定[8]、医学临床[9, 10]、环境监测[11]、公共安全[12]等领域。

这些电子鼻产品虽被应用到多个领域，但并没有得到广泛推广，主要原因是承担电子鼻气体传感任务的核心部件——气体传感系统的性能仍不够完善，具体表现在两个方面：

① 常规电子鼻的传感阵列规模较小、响应范围窄，限制了电子鼻可检测气体的种类；

② 构成电子鼻传感阵列的传感器受环境影响大，且存在价格昂贵、响应/恢复速度慢、易中毒等缺陷，影响了电子鼻的检测精度和应用场景范围。

因此，急需寻找一种优良的、稳定的气体传感方法来改善电子鼻的性能，提升电子鼻的应用前景。

就目前来看，可以考虑用复合光吸收气体传感技术承担核心的气体传感任务。具体来讲，在以复合光为媒介的气体传感系统中，选择合适的光谱探测模块，可将输入的复合光分解成大量独立的传感单元，而根据光自身的特性可知，由这些传感单元构成的传感阵列同时具有广泛响应性和交叉敏感性，满足电子鼻对其传感阵列的要求。这种技术的优点如下：

① 传感单元的数量可达数万甚至数百万（光谱分辨单元的个数），规模远远超过现有电子鼻的传感阵列；

② 响应/恢复速度快、不存在中毒问题；

③ 具有较宽的光谱范围，可实现多种类气体同时、在线检测；

④ 光传感无接触的气体检测方式，可对高温度、高湿度、高腐蚀性气体进行检测。

基于上述原因，我们提出面向电子鼻的复合光气体传感方法，以改善现有电子鼻气体传感阵列的性能，拓宽电子鼻的应用前景。