综述：电子鼻系统应用的现代发展趋势
2025-10-13 19:39:01 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文重点介绍了电子鼻在传感器设计（例如石墨烯基纳米材料传感器、MEMS传感器及光学传感器）、漂移补偿技术以及人工智能（AI）驱动的数据处理方面的创新。
电子鼻（e-nose）系统已经成为气体和气味分析的变革性工具，其利用纳米材料、传感器阵列以及机器学习（ML）技术的进步，实现对生物嗅觉的模拟。电子鼻有望替代或补充传统气体和气味分析方法，传统的分析方法往往成本高昂、检测速度缓慢且样品制备复杂。电子鼻凭借自动化、便携性以及现场检测的能力，可实现快速低成本分析，这对众多关键应用场景而言至关重要。
据麦姆斯咨询报道，近日，保加利亚加布洛沃技术大学（Technical University of Gabrovo）和波兰圣十字工业大学（Kielce University of Technology）的研究团队综述了电子鼻技术的最新进展，重点介绍了电子鼻在传感器设计（例如石墨烯基纳米材料传感器、MEMS传感器及光学传感器）、漂移补偿技术以及人工智能（AI）驱动的数据处理方面的创新。这项研究重点展示了电子鼻在医疗保健（例如通过呼吸分析实现非侵入性疾病诊断）、食品质量监测（例如食品变质检测和真伪鉴别）及环境管理（例如污染物跟踪和废水处理监测）等领域的关键应用。这项研究强调了电子鼻凭借便携性、实时检测及成本效益，具备替代传统分析方法的潜力。电子鼻技术未来发展方向包括可扩展的制造工艺、鲁棒的机器学习模型和与物联网（IoT）集成，以进一步推动其在实际应用的普及。相关研究内容以“Modern Trends in the Application of Electronic Nose Systems: A Review”为题发表在Applied Sciences期刊上。
电子鼻结构与功能的发展趋势
全面探讨电子鼻时，应明确区分三个核心维度（如图1）：（1）最基础的是实现信息采集的气体传感器；（2）各类机器学习模型（数据处理方法）；（3）具体模型训练方法取决于电子鼻系统的预期用途。
图1 电子鼻系统的气体传感器、数据处理方法以及典型应用
这项研究聚焦于电子鼻的主流应用领域，但需要结合机器学习模型进行探讨。而理解电子鼻的工作原理，需要掌握其所用气体传感器的相关知识。因此，表1总结了不同类型气体传感器的应用领域、优势及局限性。表2总结了电子鼻所使用的机器学习技术、各类方法的优势以及本研究中提及的用例。表3总结了气体传感器所用传感材料。
表1 气体传感器类型概述
表2 机器学习技术概述
表3 传感材料概述
值得注意的是，各类传感器发展的共性趋势可为电子鼻未来创新提供思路。一种是“柔性传感器”，其特征是能够被挤压变形，从而适应皮肤等多种表面而不会丧失其传感性能。另一种是“自供电传感器”，这类传感器利用电压感应现象（例如RFID）或压电效应实现能量供给，从而无需配备和更换电池。还有一种是将传感器与人工智能（AI）相结合，这种发展趋势与传感设备的小型化及便携化发展密切相关。
电子鼻技术的应用领域
在现代医疗保健领域，电子鼻技术已彻底革新了非侵入性诊断方法。通过检测呼气、尿液和血液中的挥发性有机化合物（VOCs），电子鼻系统实现了从传统的侵入性、高成本且耗时的诊断技术向新型诊断模式的转变。近年来，传感器材料、机器学习和AI领域的创新突破显著提升这些电子鼻设备的检测精度、便携性和临床适用性，推动其融入多元化医疗场景。
食品检测和分类方面的进展包括：（1）双金属氧化物传感器与卷积神经网络-长短期记忆模型（CNN-LSTM）相结合，实现气体定量检测（RMSE 2.3）；（2）将20个传感器的电子鼻系统优化至仅用6个传感器，仍可实现90%的饼干分类准确率；（3）用于农产品监测的便携式电子鼻系统。深度学习模型可对番茄成熟度进行分类（准确率86%）。研究人员还开发了搭载温控传感器和机器学习（支持SVM/RF算法）的电子鼻，通过VOCs分析检测卡西（Khasi）柑植物的盐度胁迫，准确率高达98.3%，该结果通过叶绿素和荧光测量进行了验证。
图2 基于MICS-6814气体传感器的便携式电子鼻，用于检测一氧化碳、二氧化氮、氨气
人工神经网络（ANN）可通过优化传感器线性度、减轻温度干扰，实现快速定性/定量气体鉴别，展现了电子鼻在环境监测领域的应用潜力。电子嗅觉系统也可应用于环境过程管理。工业领域已有电子鼻应用案例，该技术可分析受损油品和电缆的异味，从而实现设备早期故障检测。基于电子鼻的汽车安全系统可以自动检测车内有毒气体并采取保护措施。传感器检测特定气体的成本不断下降，再结合先进信息处理技术，使得复杂的气体检测解决方案日益普及，例如低成本电子鼻传感器可用于各类环境监测应用。
电子鼻系统的需求因其应用领域而异。表4简要总结了在医疗、食品和环境等领域对电子鼻传感器和数据分析方法的特殊需求。
表4 特定应用领域对电子鼻系统的要求和挑战
总结和展望
综上所述，这项研究表明，电子鼻技术可在医疗诊断、食品质量控制和环境监测等众多领域引发重大变革。电子鼻技术已被证实其不仅能补充传统的气体和气味分析方法，甚至可以替代那些成本更高、耗时更长的传统分析方法。电子鼻系统正在发展成为一个日益成熟的技术领域，可以对产业变革和提升生活质量产生深远影响。尽管在气体传感器优化和数据处理方面已取得显著进展，但要充分释放电子鼻技术的潜力，仍需通过跨学科协作来解决问题。未来，从智能家居与医疗保健，到农业生产的辅助支持与环境保护监测，电子鼻系统将逐步融入日常生活的方方面面。电子鼻的实时分析气味能力因其可及性、经济性和普及性而显得尤为重要。
论文链接：https://doi.org/10.3390/app151910776
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