一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法技术

本发明专利技术涉及一种精密恒温、自动采样的小型机器嗅觉仪器及其气味精密分析方法，特点之一是，机器嗅觉仪器由精密恒温的测试箱及其小型气敏传感器阵列工作室、精密恒温的小型顶空气体发生装置、气体顶空自动采样装置、计算机、精密电源、精密控制与测试电路所组成，传感器阵列工作室的恒温温度为５５±０．１℃。本发明专利技术特点之二是，小型顶空气体发生装置的顶空挥发气容积达１４０毫升，与液态、膏状或固态呈香物质的体积比固定为１４∶１，被测样品与顶空挥发气的恒温温度为５５±０．１℃，恒温过程只加热，不制冷。本发明专利技术特点之三是，小型顶空气体自动采样装置由步进电机、同步齿形带传动机构、螺杆升降机构、进样针、微型真空泵、电磁阀、节流阀、流量计所组成。本发明专利技术的气味精密分析方法，特点是，被测样品精密恒温、顶空采样、过程控制、气敏传感器阵列响应与被测气味类别和整体强度及浓度的结果分析、传感器快速恢复均由仪器自动完成。本发明专利技术的一种机器嗅觉仪器与气味分析方法具有体积小、恒温精度与自动化程度高、重复性与稳定性好、环境与人为因素影响小、分析速度快、操作简便、测试成本低的优点。若一台机器嗅觉仪器配置４个恒温杯，则可实现连续测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术—，涉及计算机、精密测量与精密控制、精密机械、应用数学、分析化学、香料香精、食品领域。本专利技术主要解决气敏传感器阵列工作室小型化、机器嗅觉仪器测试箱内部关键部件精密恒温、样品精密恒温与大容量顶空挥发气产生、顶空挥发气自动采样、仪器小型化问题。
技术介绍
机器嗅觉仪器由性能彼此重叠的多个气敏传感器和适当的模式识别方法所组成，具有识别简单和复杂气味的能力，在香料香精、食品、化妆品等呈香物质的香气质量定性分析、环境空气质量快速检测、有毒有害气体监测等领域具有广阔的应用前景。与色谱、质谱等成分分析仪器相比，机器嗅觉仪器的最大优点是香气类别的快速确定、气味强弱和质量好坏的实时定性分析与量化表示。目前，除有机聚合物膜(Conducting polymer，CP)型气敏传感器体积较小外，金属氧化物半导体(Metal oxide semiconductor，MOS)、声表面波(Surface acoustic wave，SAW)、石英晶振微平衡(Quartz crystal microbalance，QCM)、绝缘金属半导体场效应管(Metalinsulator-semiconductor field-effect transistor，MISFET)等类型的气敏传感器体积都比较大。比较而言，以SnO2为代表的MOS型气敏传感器不仅制造技术最为成熟，灵敏度最高，而且商品化程度最高，因而应用最为广泛。本专利技术采用MOS型气敏传感器。MOS型气敏传感器存在以下两个主要缺点。1)自身体积大。例如，日本Figaro公司生产的MOS型气敏传感器的最小尺寸目前为φ9.2×7.8mm(直径×高)。单个传感器体积大，机器嗅觉仪器的核心部分—气敏传感器阵列工作室的体积也就相应地很大。这样一来，每次测量所用的气体体积就大，气体顶空采样装置的容积也就比较大。2)自身形成热源。气敏传感器敏感膜的最佳工作温度在250-400℃之间，并靠传感器内部的加热电阻丝来维持，因此，一个MOS型气敏传感器工作时的耗电量在670-850毫瓦之间，形成一个热源。当多个气敏传感器组成阵列时，由此产生的热量十分可观。机器嗅觉仪器对气味进行定性分析的前提条件之一是，对某种被测物质，只要其组成成分与浓度保持不变，在任何环境下，其顶空挥发气的组成与浓度也应保持不变。我们知道，温度对气味强弱的影响很大。一个生活常识是，一种呈香物质在低温下可能没有气味，当温度升高到一定程度时就有气味。因此，要使液态、固态或膏状的呈香物质，在任何环境下产生的顶空挥发气浓度保持不变，前提条件之一是顶空挥发气发生装置内部温度的精确恒定。气敏传感器的灵敏度与环境温度成近似反比例关系。环境温度升高，传感器灵敏度下降，反之提高。不仅如此，若传感器工作室和管道的温度比环境温度低，气味流动时会出现冷凝现象，反之，气味将进一步挥发与膨胀。这些现象对精密测量都是十分不利的，最终影响机器嗅觉仪器的稳定性与重复性。因此，传感器阵列工作室内部温度需要精密恒定。本专利技术要解决的关键问题之一是如何以仪器内部的“不变”应对外部环境的“万变”。顶空挥发气发生装置和传感器阵列工作室内部恒温温度的设定以环境温度最高时不制冷为宜。本专利技术就是要解决这些装置仅靠升温过程实现精确恒温的问题。我们知道，气相色谱仪的主要测试对象为液体样品，目前主要靠人工注射进样。因此，气相色谱仪的测试结果与操作人员的熟练程度关系很大。若欲用气相色谱仪器分析气体样品，方法之一是采用顶空气体采样装置，方法之二是采用样品收集—富集—冷凝(液态化)—注射器采样这样复杂的预处理过程。商品化的顶空气体采样装置，如7694E、HS40X1等，是专为气相色谱仪配套的，其样品瓶最大容量仅为20毫升，不能满足机器嗅觉仪器的要求。即使是英国Aromascan公司的顶空采样器，样品瓶容积也仅为22毫升。样品瓶容积小，可被吸入到气敏传感器工作室内的有效气体量就小，其结果是气体在工作室内被大大稀释，相当于降低了气敏传感器的检测下限和灵敏度。商品化顶空采样装置存在的其他主要问题是价格高、结构复杂、体积大、操作繁琐，例如，7694E型顶空采样装置的单台售价10万人民币以上。因此，专利技术气体顶空自动进样装置对提高机器嗅觉仪器的稳定性与重复性具有重要的意义。在采用MOS型气敏传感器的情况下，传感器工作室体积大带来的直接后果是导致气味经过时进一步被稀释，相当于降低了传感器的灵敏度。我们知道，一个传感器自身形成一个热源，多个传感器同时集中工作时热量会进一步累积。在专利《一种机器嗅觉装置及其嗅觉模拟测试方法》(参见专利申请号02111046.8)里，我们已经指出，采用环形工作室的优点是使得多个气敏传感器同时工作时热量分散，但是，该专利采用传感器底座尔致使环形工作室容积不能减小。单个传感器体积较大，但我们要求传感器阵列工作室不仅容积应尽可能小，而且散热性能尽可能好。如何解决这些矛盾，是本专利技术要解决的重要问题之一。此外，本专利技术还要提出通过环境空气的大流量冲洗，从而带走传感器热量的方法。如前所述，一次采样的顶空气体量为50毫升，这就要求顶空挥发气总量，即样品瓶容积足够大。样品瓶容积过小，产生的顶空挥发气总量就有限，将导致气体在流经工作室时被大大稀释。不仅如此，顶空采样时会在样品瓶内产生较大的负压。样品瓶容积过大，不仅操作不便，而且为了使顶空挥发气达到足够的浓度，每次测量所需要的液态、固态或膏状呈香物质的量增加，结果使得测量成本上升。综合各种因素，样品瓶容积为150毫升较为合适。比较而言，随着液态、固态或膏状呈香物质绝对量的增加，顶空挥发气中微量成分的相对浓度会随之上升。呈香物质绝对量小，顶空挥发气浓度就低。经过大量实验，每次测量所需呈香物质绝对量为10毫升较为合适。气液比过小的不良后果，一是呈香物质绝对量消耗大，二是会使得顶空挥发气的浓度超过气敏传感器的最敏感范围。气液比过大的不良后果是，顶空挥发气的浓度过低。大量实验表明，合适的气液比为140∶10＝14∶1。恒温水浴常常被用来保持被测物质的温度恒定。水浴恒温方法的缺点之一是体积很大；缺点之二是需要反反复复地将样品瓶放入水中和从水中取出，操作非常不方便。因此，专利技术大容量自动恒温顶空挥发气发生装置对机器嗅觉仪器的实际应用具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术是在现有的《一种机器嗅觉装置及其嗅觉模拟测试方法》(参见专利申请号02111046.8)、《一种基于模块化组合神经网络的机器嗅觉气味识别方法》(参见专利申请号03141537.7)和《机器嗅觉气味类别与强度同时确定方法》(参见专利申请号200610023183.4)的基础上，为了使机器嗅觉仪器具有良好的灵敏度、重复性与稳定性而提出的。本专利技术具有传感器阵列工作室体积小、顶空挥发气体积大、恒温精度高、自动化程度高、重复性与稳定性好、分析速度快、使用简便的优点。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案之一是小型气敏传感器阵列工作室为环形，放置8-16个气敏传感器。环形工作室平均直径为140毫米，断面尺寸为20×10毫米。一个个气敏传感器直接胶结在环形工作室底座上，不使用传统的传感器座，从而使得环形工作室有效容积成倍缩小。气敏传感器通过专用接插件和导线与电源和高精度数据采集卡相联结。气敏传感器阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型自动化机器嗅觉仪器，其特征在于由精密恒温的测试箱及其小型气体传感器阵列工作室、精密恒温的小型大容量顶空气体发生装置、气体顶空自动采样装置、计算机、精密电源、精密控制与测试电路所组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高大启，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]