溴芘

前不久，美国奋进号航天飞机为国际空间站送去一个电子鼻。它可以“嗅”出空间站内空气中的危险物质，保护宇航员的健康和安全。2008年12月9日，国际空间站宇航员把这个鞋盒大小的电子鼻安装到乘员舱内，开始为期6个月的试运行。如果证明确实有效，电子鼻今后还将应用于宇航员重返月球等其他载人空间探索项目。 　　不仅在航空领域，电子鼻从20多年前诞生至今，以其快速、简单、客观和廉价的特点，在食品加工、环境监测、公共安全和医学诊断等诸多领域得到应用。记者就此采访了《基于嗅觉模型的电子鼻仿生信息处理技术研究进展》(《科学通报》2008年第22期)一文的第一作者、浙江大学工业控制技术国家重点实验室教授李光。 　　源于生物嗅觉 　　电子鼻研制的灵感来源于生物嗅觉，是对其结构和功能的模仿。“生物体经过千万年演化后，形成了极其精巧的结构和完美的功能，比如其快速、高效、经济和可靠等性能是目前多数人工机器无法达到的。”李光说：“工程界应该自觉地学习生物体，从大自然中寻求新思路、新原理和新理论。” 　　电子鼻最早可以追溯到1962年Seiyama发现了二氧化锡的气敏特性，但直到1982年Persaud等人在Nature杂志上第一次提出以阵列思想来识别几种简单气体，标志电子鼻的诞生。 　　20多年来，电子鼻从理论到技术都有了很大发展。李光介绍，在气敏传感器方面，科研人员研制出了不同传感原理和制作工艺的气敏传感器，如现在常用的有金属氧化物半导、石英晶体微天平、导电聚合物、声表面波等，极大地丰富了气味信息的获取途径。作为电子鼻智能化单元的模式识别算法，也引入了各种各样的方法，包括常见的主成分分析和各种人工神经网络与专家系统。 　　李光说：“最近几年，在传感器领域的国际最著名期刊之一Sensors and Actuators上，关于电子鼻及相关技术的报道也急剧增多，由此也可以看到学术界对该领域的研究越来越重视。” 　　人工嗅觉系统 　　电子鼻不仅仅是一种传感器。李光解释说，“电子鼻”这个术语存在两面性，一方面有自明性，顾名思义，而另一方面也往往容易产生误解，缩小了它的结构范围。“确切地说，电子鼻是人工嗅觉感受器(传感器阵列)加人工脑(信息处理算法)，前者负责‘嗅’，后者负责‘识别’，所以称之为人工嗅觉系统更贴切。” 　　一个人工嗅觉系统通常由3个部分组成：气敏传感器阵列、信息采集电路和模式识别算法。挥发性气味与多个气敏传感器反应，将样品的化学信号转换成电信号,然后经过一系列信号调理、基线校准等预处理过程，获取该样品所对应的综合“指纹”信息，再从中提取合适的特征输入到特定的模式识别算法，最终完成对样品的定性或定量辨识。 　　与人类的嗅觉系统相比，电子鼻气室内的气敏传感器阵列相当于鼻腔上的嗅上皮，具有交叉敏感的化学传感器则相当于对多种气味分子敏感的嗅神经元，其作用都是将气味的化学信息转换为电信息 预处理的功能类似于嗅球内信号的整合与增强 模式识别原理，特别是人工神经网络方法，则在一定程度上模拟了大脑皮层信息编码、处理和存储等过程。 　　“电子鼻的灵敏度一方面取决于所用气敏传感器的灵敏度，比如说用日本Figaro公司的TGS气敏传感器一般达到几十甚至上千ppm(百万分之一)级别，而用一些SAW型传感器则可以达到ppb(十亿分之一)级别。”李光说：“此外，电子鼻本身一些算法可以提高检测的灵敏度，例如Pearce等人提出的嗅神经元——丝球体汇聚模型，采用嗅觉系统的实际功能削弱信号中的无关噪声，提高检测灵敏度。” 　　目前，电子鼻研制的两个关键技术仍须进一步深入研究。李光指出，一方面要开发性能优良的气敏传感器构建阵列，另一方面还需要强大的信息处理算法来处理这些信息。李光说：“传感器在灵敏度、寿命、功耗、使用方便性等方面各有优劣，在这些方面有大量的科研工作者在努力。而在信息处理算法上，尽管提出的方法很多，但各自局限性很大，且一般只能针对特定的识别任务，根本无法和人类大脑比拟。” 　　应用前景诱人 　　电子鼻具有快速、简单、客观和廉价的特点，在食品加工、环境监测、公共安全和医学诊断等诸多领域都有很大的潜在应用前景。 　　某些疾病比如糖尿病、肺癌、消化道疾病等，因引起病人体内生物化学变化而产生独特气味，此外一些引起疾病的细菌本身就有独特气味，使得健康人和患者的气味存在微妙的不同，但是这些气味对普通人来说是很难觉察的。 　　“用电子鼻可以做到。”最近，Mohamed等人应用电子鼻分析尿液气味，经过数据评估来预测2型糖尿病，其正确率高达96%。美国食品及药物管理局(FDA)已经审批通过一种检测尿路感染的电子鼻，而其他一些医用电子鼻也在等待获批。 　　目前国外已经有数十家公司对电子鼻进行了商业化开发，例如Alpha MOS公司的FOX系列、Technobiochip公司的LibraNose、Electronic Sensor Technology公司的zNose和AIRSENSE Analytics公司的PEN系列等。 　　国内有一些公司在代理电子鼻产品，销售对象一般是大学、研究机构，供其用于应用型研究或对电子鼻产品所带的模式识别算法进行二次开发。但据李光所知，在工农业生产或者医疗诊断的实际场合，还没有真正应用起来。 　　李光说，一方面由于这些国外电子鼻产品的价格非常高，并没有达到电子鼻廉价的优点 另一方面，电子鼻产品的性能还没有达到实际应用的水平，电子鼻产品的市场还没有培育起来。比如说医疗诊断，一种诊断手段要得到一线临床医生的认可需要很长时间，不仅包括产品自身的可靠性，还包括一些必要的准入程序。 　　尽管如此，李光相信，随着学术界和科技界的共同努力，电子鼻作为一种辅助诊断工具，在不久的将来就可以在医院见到 同时，在广受重视的食品安全方面，电子鼻应该能发挥它的功用。“电子鼻的前景还是很诱人的。”李光说。 　　李光的实验室在电子鼻方面正在进行两项研究。一是气敏传感器的研究，由于金属氧化物气敏传感器功耗大，无法做到便携式、手持式产品的低功耗要求，他们的工作现在主要把重点放在石英晶体微天平QCM型传感器上，用功能材料学的方法制备纳米敏感膜，进行气敏研究。二是在模式识别算法上作一些改进，与美国加州大学伯克利分校的Freeman教授合作多年，开展嗅觉神经网络的仿生应用研究。 　　另外，李光介绍，他们实验室刚申请到一个国家自然科学基金项目，准备用昆虫触角的传感功能来弥补现有气敏传感器的不足。“这个想法在国际上非常新颖，但也面临很多挑战。但是我，包括我的研究生对这方面都兴趣盎然，很乐意作一些被别人看来比较‘另类’的研究。”

臭味往往来自挥发性成分，粪臭素便是典型的一种。当稀释到极低的浓度时，它会变成淡淡的茉莉花香，不但能配制香水，还可用作食物香精。华质君不禁发出灵魂拷问：难道香的极致为… … 臭？！在食品化学中“风味”一词，涵盖了所有。感官评价（茶叶分级、香水还原、酒酿勾兑）常仰赖世传专家完成，主观因素高企，客观指标短缺。常规气味表征法大多依赖标准品建模，常仅限于少数已知小分子，对整体风味的表征描述功用有限。10种威士忌经不同前处理流程的pca主成分分析图；人为前处理越多，威士忌差异越小。前处理因其不（广）为人知的某些选择性，部分化学信息丢失。在线软电离质谱鼻，sicrit-ms，无需前处理，以样品原形嗅闻，最大限度保留原始化学信息。此方案可兼容呼吸袋、抽烟机、高通量液体自动进样器、热脱附装置、气相色谱、裂解色谱、和呼吸管，具极强的广谱电离能力，从非极性到极性（从如pahs多环芳烃或烷烃，到酸类）。在线软电离质谱鼻，sicrit-ms直接嗅闻演示01香气1秒鉴定待测样品（咖啡豆、红酒、香水等）直接置放在质谱鼻前端，秒间获得上千种香味物质信息（表1.咖啡豆香气物质鉴定）咖啡香气组成复杂，业已证明超千种化学成分与咖啡风味相关，这些成分包括羰基、硫脂环族、芳环和杂环化合物。软电离质谱鼻sicrit-ms可直接在线监测各种挥发性有机物，超敏分析香型、烘焙实时监测、产品兑制、产地溯源、储运包材选择等。下一波热门应用领域将为烟酒糖茶、葱姜蒜酱、撸串涮肉、酸甜苦辣、名优特产和舌尖上的烹饪，以及肠道菌群、口香（臭）与健康疾病诊疗大数据流调。02闻气辩真伪/名优地产鉴定在线软电离质谱鼻sicrit-ms分析气体性能优异，无歧视、快速广谱、软电离。无需任何前处理，直接嗅闻快速辨别两种奶酪，构建香气模型。农科院近期发表了基于sicrit-hrms高分辨质谱鼻果汁分析报告，快速累积大数据，实时助力和聚焦生产工艺和农产品质。绿线为非加热橙汁模型，红点为巴氏灭菌橙汁。03发酵、烘焙及炮制程的连续无间歇监控在线软电离质谱鼻sicrit-ms无需流动相或载气，全天候连续自动化嗅闻或采样，数据采集时间短速度快（秒级），不再担心样品发酵或分解、或常规色质联用因断续采样（十几或几十分钟以上）频次不够而错失关键数据的问题。通过连续监测特征气味分子与温度、时间、搅拌等因素的关系，能掌握定向发酵的秘密。比如坚果香分子在100℃条件下烘焙2小时后的浓度最高，依此调控烘焙条件，将咖啡豆烘焙出绵厚的坚果香味。香味物质与生产条件（温度、时间、搅拌等）关联性，定向制取香型风味。类似研究：中药炮制、白酒发酵、生物合成、反应监测等04呼气医学诊断/口腔气味分型在线软电离质谱鼻sicrit-ms呼气监测呼气分析关注挥发性有机（voc）标志物的识别和量化，用于无创性医学诊断、疾病标志物和药物代谢研究，应用于哮喘、慢肺阻（copd）、肺癌等疾病诊疗。病患口气味道特殊，如糖尿病患者的呼气似有烂苹果的味道；非呼吸道或消化道疾病患者与健康人的呼气有明显差异。chemicalreview杂志最近的述评认为，在线软电离质谱鼻sicrit-ms作为呼气分析的新型高科技装备，聚焦呼气疾病筛查，将成主流。（zenobi,etal.chem.rev.2020）一些药物尤其是麻醉剂代谢物也可在呼吸气中监测到，且与血药浓度存有一定相关性。呼气中voc的检测不仅限于医学诊断，还可以辅助食品关键信息获取。食物加工的最后一步发生在我们的口腔中。口腔湿润的微生物环境很难在体外模拟，因此，“余味”、“回甘”仍是秘密。通过呼气的连续监测，我们就可边咀嚼火腿、面包口香糖，边在线软电离“口气”次生分子，原位分析实时监控口腔发酵和生物合成反应。原位高分辨质谱鼻sicrit-hrms对呼气进行实时监测：宽极性覆盖软电离分子离子无加合物在线高敏达ppt级高分辨率高质量准度即插即用，分秒启停在线软电离质谱鼻sicrit-ms谱图中丙酮、尿素、吡啶、氨基酸等潜在标志物上图显示一次呼气的指纹谱，重现性优异。丙酮是呼气中被引用最多的生物标志物之一，它是引起口臭的常见分子，也是糖尿病酮症酸中毒的主要指标。另一些极具代表性的醛类及氨基酸，与多种疾病代谢诊断正相关。质谱鼻为非侵入性技术，对疾病生物标志物发现和验证潜力巨大。相关研究：口腔气味、疾病筛查、药物代谢、临床监测05战场“军犬鼻”化学战剂（cwa）的非法使用威胁巨大，如在叙利亚冲突中化学武器的使用造成了巨大的生命伤亡。各级实验室有必要通过质谱鼻（织谱鼻® ）组建累积大数据模型以应对未来日趋严峻的化学和生化威胁。在线软电离质谱鼻sicrit-ms在1s内直接检测化武气体分子，高敏全天候应对威胁。更灵敏（检出限低至ng/m3）二级谱或高分辨高质量准度软电离、无加合、易识别绿色无耗、无须溶剂载气广谱全极性范围无歧视监控爆炸物探测在国土安全和反恐防护至关重要。常见的炸药分子或低温和环氧炸药等难检炸药分子都能被sicrit-ms质谱鼻离子化。该技术将广泛用于机场、车站、场馆、集会等安检。06大气污染实时（走航）监测大气污染颗粒物来源广泛，成分复杂，所形成的气溶胶中含许多有害物质，能黏附病原微生物传播疾病。过往，适于在线表征气溶胶的质谱仪繁杂笨拙成本高企。德国慕尼黑工业大学christophhaisch教授提出一种新型、简单且成本低廉的气溶胶分析系统helios/sicrit-ms法，用于在线高敏表征颗粒挥发物及其化学组成。helios/sicrit-ms系统经济、高效、高敏、准确，可用于实时在线监测汽车及摩托车尾气中的烷烃、烯烃、苯等有害产物，对车企和环保部门进行空气质量监测具高度实用价值。07高配版“软气质”联用传统气质gc-ms为电子轰击ei源，分子离子的碎裂过度，且易发生非特异性裂解，既看不到分子离子，定性困难，定量灵敏度也低。偶联气相的软电离质谱鼻，gc-sicrit-ms，分子离子完整保存，定量定性的灵敏度更高、准确度更优。如对几种对称性分子农药（液质和气质难以电离）和滥用药物分析检测限（lod）低至10pg/ml（10ppt）。几种对称分子农残（传统液质和气质难以电离）定量标准曲线和线性范围30-30,000pg/ml(ppt)，r2≥0.99，rsd%≤5%。文章来源：华质泰科生物技术微信公众号

从透明的玻璃气瓶中，用玻璃针管缓缓抽出一管从垃圾场采集到的“臭气”，然后注入密封的袋子中，打开出气口，一边用手轻轻捏着袋体，一边将鼻子凑近仔细嗅辨。作为北京市环境卫生监测站的一名“闻臭员”，张超每天的工作就是到各大垃圾场去采集排放出来的“臭气”，带回实验室通过“闻臭”来判断垃圾场的排放是否达标。这样特殊的工作，张超一干就是11年。不过，张超可不愿意别人管他叫“闻臭员”，他们的专业名称叫做嗅辨员。像他一样具有专业资质的嗅辨员，全市共有约300名。　　每天至少去3个垃圾场采样　　又到了张超最怕的夏天。气温攀升到30多摄氏度之后，不少人都尽量避免高温作业，但对于张超和他的同事们来说，几乎每天都要进行的固定检测却不能因为高温而停止。　　天气炎热，气体更易扩散，虽然焚烧厂的垃圾已经经过严格处理，并没有传统垃圾场扑鼻的恶臭，但空气中依然会夹杂着一些特殊气味。为了更加全面地监测，除了能够产生气味的焚烧炉，废水池以及厂区边界，也都需要进行采样。相比于在臭不可闻的垃圾堆放站收集气体，张超认为这已经算是比较好的工作环境。　　采样的气瓶在带离实验室前，要提前对其进行抽真空处理。随后，嗅辨员需要亲赴垃圾场的厂界位置采集一些环境空气，取样带回实验室，对臭气浓度进行检测，以此来衡量垃圾场的排污情况是否达标。　　张超说，全市目前共有50个垃圾处理设施，有19个垃圾填埋场、综合处理厂、焚烧厂和转运站，必须保证每个月都得去一次。而像是粪便消纳站和一些区的垃圾处理场，则要保证每季度去一次。这样算下来，嗅辨员每天至少要去3个垃圾处理设施，才能够保证完成任务。　　采集回来的样品，当天就必须进行嗅辨，以防采集回来的气体飘散或是变质。　　鼻子辨臭能力超仪器数倍　　在北京市环境卫生监测站内，张超的脸上滚满了豆大的汗珠。回到实验室后，采集的气体将会被高度稀释，并放入气袋中，以便嗅辨员来嗅。　　一个嗅辨小组由6名嗅辨员和一名判定师组成。一边忙着操作，张超一边解释说，每个嗅辨员会发给3个密封的袋子，3个袋子中只有1个里面打入了从垃圾场采集回来的样品空气，而其他两个袋子中则只有干净的空气。嗅辨员用鼻子闻了袋中的气体后，觉得哪个袋子中有味道，就在相应的表格中打对钩，如果觉得没有味道，则在表格中打叉，无法确定就画圆圈。最后通过公式，算出样本的臭味是否达到国家标准。只要闻着臭，就说明排放肯定不达标。之后，再由城管委来决定对垃圾场的处罚或是整改措施。　　在科技如此发达的今天，为何还需要用人的鼻子来判别空气质量?张超说，科学检测仪器虽然越来越先进，但机器只能显示数值，无法分辨臭味。光数据显示还不够，如果依然有股怪味儿，对周边的居民肯定还有影响。臭味本身就是一种污染源。“人的鼻子，比仪器能够检测到的味道要多得多。比如仪器可能只能检测到十几种或是二十几种指标，但是人的鼻子却能够闻到几十种甚至上百种味道。”　　数据虽然安全，但是闻起来却依然有臭味，嗅辨员既专业又接地气的检测方式，无疑给越来越多的垃圾处理设施提出了更高要求。　　男不许抽烟喝酒 女必须素面朝天　　一只富有经验的鼻子显然至关重要，但是想要成为一名嗅辨员，光靠鼻子灵还远远不够，必须先经过国家恶臭重点实验室的审核，并通过专门的笔试和嗅觉测试才能拿到资质，资格证每三年就需要重新考核。目前，整个北京拿到嗅辨资格审核的一共有约300名嗅辨员。　　回忆起考核时的场景，张超说，每个参加考核的嗅辨员会发给5个纸条，其中两个纸条上蘸一些嗅液，闻几轮，来进行嗅觉考核。　　在日常的生活中，嗅辨员还有不少额外的要求。比如不能抽烟、喝酒，避免吃辛辣刺激的食物，遇到感冒也不能进行嗅辨。在这工作的女性全部素面朝天，绝对不能化妆，指甲油不能涂，连防晒霜都不能抹，风油精、花露水都不能喷。“比如说下午要检测，中午饭肯定不能吃包子一类有味道的东西。”　　硫化氢的味道特别难闻，闻起来是一股臭鸡蛋的味儿。张超说，刚开始做嗅辨员时，偶尔还会因为闻到恶臭变得头晕恶心，食欲不振。但是做的时间长了，慢慢就习惯了。“我已经做这行11年了，早习惯了。”