文章薦讀|電子鼻在檢測水源水中不同嗅味物質方面的應用

文章採(cǎi)用便攜式電子鼻PEN3（德國Airsense 公司）對水源中不同嗅味物質進行檢測(cè)。

檢測儀器

德國AIRSENSE公司PEN3型電子鼻 ，主要由取樣操作器、氣體傳(chuán)感器陣列和信号處(chù)理系統組成。其中，傳(chuán)感器陣列由10個不同的金屬氧化物傳(chuán)感器組成。儀器具有K-NN（歐氏距離、馬氏距離）、DFA判别函數分析、PCA主成分分析、LDA線性判别分析、PLS偏小二乘法流行算法。

研究目的

（1）詳細區分傳感器對不同濃度嗅味物質的響應，並(bìng)進行主成分分析（PCA）和線性判别分析（LDA）；（2）通過電子鼻檢測(cè)研究對不同密度的銅綠微囊藻産生的揮發性嗅味物質的分析；（3）探究電子鼻的區分程度以及相應的傳感器響應強度，爲水中嗅味物質的快速
、穩定檢測(cè)提供可靠數據。

分析過程

從圖 1（a）、（b）、（c）和（d）的主成分分析結果可以看出，前兩個主成分約占總方差的 99.00%，其中第一主成分（PC1，x 軸）占比超過 85.00%，這表明它能夠分别代表 2 - 甲基異冰片、土臭素、β- 環檸檬醛和 β- 紫羅蘭酮的所有樣本。沿著(zhe)第一主成分（PC1）方向，2 - 甲基異冰片
、土臭素、β- 環檸檬醛和 β- 紫羅蘭酮的嗅味響應值分布呈現出特定趨勢，且随著(zhe)濃度升高，第一主成分（PC1）的值也随之增加。此外，樣本的揮發性成分沒有重疊，這表明電子鼻通過主成分分析有足夠的分辨能力來區分 2 - 甲基異冰片、土臭素
、β- 環檸檬醛和 β- 紫羅蘭酮的不同濃度。每個濃度使用三個樣本，這表明傳(chuán)感器響應具有較高的可重複性。

圖 1（e）、（f）、（g）和（h）展示瞭(le)純(chún)水中 2 - 甲基異冰片
、土臭素、β- 環檸檬醛和 β- 紫羅蘭酮的線性判别分析（LDA）結果。樣本之間相隔一定距離，兩個樣本之間的距離越大，差異就越明顯
。2 - 甲基異冰片、土臭素、β- 環檸檬醛和 β- 紫羅蘭酮的第一線性判别因子（LD1，x 軸）和第二線性判别因子（LD2，y 軸）占總方差的比例超過 99.00%。圖 1（e）顯示，在 0 到 40 納克 / 升的濃度範圍内可以區分 2 - 甲基異冰片，濃度在 40 至 85 納克 / 升的樣本與濃度在 5 至 20 納克 / 升的樣本可以區分開來，但濃度在 40 至 85 納克 / 升的樣本之間不能清晰區分，2 - 甲基異冰片的嗅覺阈值濃度爲 8.5 納克 / 升。從圖 1（f）可以看出
，低濃度（8 至 16 納克 / 升）和高濃度的土臭素能清晰區分開來。

在圖 3（d）中，響應值随著(zhe)濃度增加而上升。九種物質在傳感器 R2、R6 和 R8 上表現出較高的響應值。R8 對樣本的氣味給出瞭(le)更強且不同的響應，其主要敏感結構是醇類、醛類和酮類（表 2）。苯甲醛含有醛基，具有最大的嗅覺阈值、較大的濃度梯度和較高的貢獻率。

利用電子鼻對銅綠微囊藻在 BG11 培養基中不同濃度下的氣味進行瞭(le)分析，結果如圖 6（a）所示。前兩個主成分約占總方差的 99.17%，其中第一主成分（PC1，x 軸）占比超過 85.00%，這表明它能夠代表各個密度下的所有樣本。沿著(zhe)第一主成分（PC1）方向，銅綠微囊藻的氣味響應值随著(zhe)藻細胞密度的增加而升高。此外，細胞密度在 1.08×10⁷個細胞 / 毫升至 5.53×10⁷個細胞 / 毫升之間時，其揮發性成分沒有重疊，這說明電子鼻具有足夠的分辨能力來區分高密度（如超過 10⁷個細胞 / 毫升）下的氣味。

在圖 6（b）中，各個密度下的第一線性判别因子（LD1，x 軸）和第二線性判别因子（LD2，y 軸）占總方差的比例超過 97.86%。細胞密度在 1.08×10⁷個細胞 / 毫升至 5.53×10⁷個細胞 / 毫升之間時沒有重疊，而在 3.05×10⁶個細胞 / 毫升至 1.08×10⁷個細胞 / 毫升之間的密度存在重疊，這意味著(zhe)最低密度和高密度下的氣味能夠很好地區分開來，並(bìng)且在對數生長期初期，這些氣味相對相似。處於滞後期的低密度銅綠微囊藻需要适應 BG11 培養基的新環境，所以其氣味能夠與其他密度下的氣味區分開來。對數生長期初期藻類的生長速率比對數生長期後期的生長速率慢，並(bìng)且細胞密度在 3.05×10⁶個細胞 / 毫升至 1.08×10⁷個細胞 / 毫升之間時的氣味可能相似。

結論

便攜式電子鼻 PEN3 被用於(yú)檢測地表水中的典型嗅味物質，包括 2 - 甲基異冰片（2-MIB）、土臭素（GSM）、β- 環檸檬醛、β- 紫羅蘭酮、另外九種嗅味（T&O）化合物以及銅綠微囊藻産生的嗅味物質。在 0 到 85 納克 / 升的濃度範圍内，能夠區分 2 - 甲基異冰片和土臭素，並(bìng)且電子鼻可以識别出在純水和地表水中不同濃度嗅味物質的響應特征。通過主成分分析（PCA）和線性判别分析（LDA）方法，能夠有效識别出濃度爲嗅阈值 1 至 3 倍的這些嗅味物質。起識别作用的傳感器是 R8 和 R6，它們的主要敏感結構爲醇類、醛類以及甲基基團。對於(yú)銅綠微囊藻，細胞密度在 1.08×10⁷個細胞 / 毫升至 5.53×10⁷個細胞 / 毫升之間時，其揮發性成分沒有重疊，並(bìng)且電子鼻在高細胞密度下有足夠的分辨能力來區分氣味。傳感器 R10 的響應值與藻類密度呈現出顯著的相關性，這與脂肪烴及其他嗅味化合物有關。電子鼻可應用於(yú)監測水源水中的嗅味（T&O）化合物，預防産生不良嗅味物質和異味。由於(yú)水源水中存在大量的嗅味物質和産嗅藻類，因此還需要進行更多的研究。未來的工作也可以集中在建立水源水中嗅味化合物的指紋圖譜方面。

文章來源：國(guó)家環境保護食物鏈污染控制重點(diǎn)實驗室《Electronic nose application for detecting different odorants in source water: Possibility and scenario》