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电子舌常用传感器研究进展


         传感器与微系统 ( Transducer and M icrosystem Technologies)          2007 年 第 26 卷 第 2 期 4

电子舌常用传感器研究进展
雷勇杰 , 章桥新
1 1, 2

, 张覃轶

3

(1. 武汉理工大学 机电工程学院 ,湖北 武汉 430070; 2. 武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室 ,湖北 武汉 430070; 3. 武汉理工大学 材料科学与工程学院 ,湖北 武汉 430070)

摘   : 电子舌是一种用于液体分析的多传感器系统 ,它主要由传感器阵列 、 要 信号处理和模式识别系统组 成 ,其中 ,味觉传感器是决定其性能的关键部件之一 。介绍了几种常用味觉传感器的研究和应用现状 , 重 点讨论了电位分析传感器 、 伏安分析传感器和光学方法的味觉传感器的原理 、 特点及其应用 ,同时 ,对电子 舌传感器的发展进行了展望 。 关键词 : 电子舌 ; 味觉传感器 ; 传感器阵列 中图分类号 : TP212     文献标识码 : A     文章编号 : 1000 - 9787 (2007) 02 - 0004 - 04

Progress of electron ic tongue sen sors
( 1. School of M echa tron ics Eng in eer i g, W uhan Un iversity of Technology, W uhan 430070, Ch ina; n 2. Sta te Key Labora tory of Advanced Technology for M a ter ia ls Syn thesis and Processin g, W uhan Un iversity of Technology, W uhan 430070, Ch ina; 3. School of M a ter ia l Sc ience and Eng in eer in g, W uhan Un iversity of Technology, W uhan 430070, Ch i a) n Abstract: Electronic tongue is a kind of multi2sensor system mainly used in the field of liquid analysis It consists . of sensor arrays, signal p rocessing and pattern recognition system , and the taste sensor is one of the key parts of it . The development and app lications of several kinds of typ ical taste sensors are studied. The potentiometric sensors, app lications are introduced. The p rospects of taste sensors are also p resented. Key words: electronic tongue; taste sensor; sensor arrays voltametric sensors and taste sensors based on op tics method, are discussed. Their p rincip les, p roperties and
+ +

0    引 言

电子舌技术是 20 世纪 80 年代中期发展起来的一种分

析、 识别液体成分的智能仪器技术 ,它主要由传感器阵列 、 信号处理和模式识别系统组成 。传感器阵列对液体样品作 出响应并输出信号 ,信号经计算机系统进行数据处理后得 到反映样品味觉特征的结果 。

作为电子舌的关键部件 — 味觉传感器的研究是推动 — 电子舌技术发展的重要环节 。至 20 世纪 80 年代以来 , 研 究者在味觉传感器的研究上做了大量的工作 ,也取了不少 突破性的成果 。本文主要就电子舌发展进程中不同测试原 理的常用味觉传感器作相关介绍 。
1  电位分析传感器

1. 1   离子选择电极

离子选择电极 ( ISE)是一种对某种特定的离子具有选 择性的指示电极 , 它通过电极间 (工作电极与参比电极 )
收稿日期 : 2006 - 07 - 29

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

LE I Yong2jie , ZHANG Q iao 2xin
1

1, 2

膜电势的大小来反映样本离子的浓度信息 ,是电子舌发展 史上第一个电势传感器 。 ISE发明于 1909 年 , 20 世纪 60 年 代以后得到迅速发展 ,目前 ,已有几十种产品投入使用 。由 于其设备简单 、 操作方便 、 分析时间短 、 易于实现自动检测 、 价格低廉等优点 ,在工业自动分析 、 环境监测 、 医疗卫生等 方面得到广泛应用 。如 , 将 ISEs用于细胞内 M g2 + , Ca2 + ,
Na 和 K 的临床检测 ; 将铬 ISE用于食品和合金中铬离子

的检测 ; 将氟 ISE用于对牙膏 、 饮用水和尿液中氟离子的检 测等 。 近年来 , ISE 的研究主要集中在新的 ISE 膜的研究 、 微

量元素和重金属选择性电极的研制以及提高 ISE 的响应时 间和使用寿命等方面 。 Schoning M J 等人 [ 1, 2 ] 使用激光沉 积技术制成的离子选择薄膜已成功用于 Pb2 + , Ag + 和 Cu2 + 检测电极的制备 ; Gü Ekmekci等人 [ 3 ]报道了一种“ ler 固态 ” 氢氧化物 ISE,既能用于高 pH 值的检测 ,又能测定低浓度的

ZHANG Q in 2yi

3

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第 2 期                  雷勇杰 ,等 : 电子舌常用传感器研究进展                 5 氢氧化物 ,且不受普通离子的干扰 ,使用寿命长达 2 年 ; Ak2
bari A 等人
2+ [4 ]

流及控制继电盒等 [ 8 ] 。 在实际应用中 ,电极的个数和材料及所施加的电压根 据不同的待测样本做相应选择 。 Patrik Ivarsson 等人 [ 8 ] 应 用电子舌检测了 3 种不同的茶 (红茶 、 绿茶和乌龙茶 ) 和
12 种清洁剂 ( 6 种洗碗剂 、 种洗涤剂 ) ,发现电子舌能将它 6

利用 PVC 膜制成钒 ISE,研究发现 : 该电极对

VO 具有良好的选择性和快速响应性 , 并成功用作电位滴

定的指示电极 。

但是 , ISE在相关的某些干扰离子的环境中选择性较

差的缺点一直是困扰国内外研究者的瓶颈问题 。为了解决 这个问题 ,早在 19 世纪 80 年代中期就有人提出了用电极 阵列来取代离散电极的思想并付诸实践 ,且还进一步引进

们很好地区分出来 , 同时 , 还准确地将清洁剂分为两大类
(洗碗剂和洗涤剂 ) 。V lasov Y等人 [ 9 ]使用有 2 个工作电极 ( Pt和 Au )的电子舌检测不同饮料 : 9 个品牌的橘子汁 、 2

了弱选择性电极阵列的使用 ,形成了最初的电子舌的雏形 。

种类型的橙子汁软饮料 、 苹果汁和巴氏灭菌牛奶 ,发现这种 电子舌能够区分不同种类的饮料及检测饮料的老化 、 氧化 等。 伏安法电子舌还存在着一些问题 , 如当用于复杂溶液 分析时 ,系统对单一成分特定分析的选择性较差 [ 10 ] ; 发生 在不同贵金属电极上的化学反应还不清楚 ; 对细菌的敏感 特性还不清楚等均有待进一步深入研究 。
3  光学方法的味觉传感器

1. 2   多通道类脂膜味觉传感器

1990 年 , Kiyoshi Toko 等人研制的第一个基于非特定
[5 ]

传感器方法的液体分析多传感器系统

。传感器阵列由

多个含有类脂膜的电极构成 ,类脂膜被安装在带洞的塑料 管上 ,管的末端用塞子封住 , 塞子上装有 Ag/AgCl 参比电 极 ,管内盛有 3mol/L 的 KCl溶液 。多通道电极通过多通道 放大器与多通道扫描器连接 。味觉物质使类脂膜的电位发 生变化 ,输出反映其味道性质和强度的电信号 , 然后 , 通过 数字电压表转化为数字信号送入计算机进行处理 。

3. 1  LAPS味觉传感器
3. 1. 1  LAPS测试原理

这种味觉传感器有对化学物质进行分子识别的能力 ,

光寻址电位传感器 ( light address potentiometric sensors,
LAPS)的基本原理是半导体的内光电效应 , 即当半导体受

能对相应的味道作出响应 。因此 , 使用它可以轻易地区分 不同的饮料 。 Kiyoshi Toko 等人用该味觉传感器研究氨基 酸 ,发现不同的氨基酸可以分成与人的味觉评价相吻合的 另外 ,应用这种传感器还实现了啤酒 、 日本米酒 、 牛奶等多 种饮料的鉴别
[ 5, 6 ]

到一定波长的光照射时 , 半导体吸收光子发生禁带到导带 的跃迁产生了电子空穴对 。 当光源在 LAPS的上或下表面照射时 , 外电路中光电 流的大小就反映了膜的响应 。一般外电路采用如图 3 所示 的三电极方式 ,参比电极提供固定的偏压 ,控制电极和半导 体衬底上的欧姆接触之间形成一个电流通路 。交变的光电 流通过锁相放大器及跟踪带通滤波器等进行信号的放大和 提取 。
3. 1. 2  LAPS味觉传感器 LAPS技术的发展促进了 LAPS 味觉传感器的研制 。 1995 年 , Sasaki Y等人
[ 11 ]

5 个组 ,传感器能对氨基酸的混合味道作出正确的评价 。

。该传感器的最大优点在于不用对试样

进行预处理 ,便于实现实时 、 在线检测 ,因此 ,还可用于环境 的监测 ,如检测工厂排水的污染情况等 ,仍然是最具有选择 性和广泛使用的味觉传感器 。 这种传感器对味觉物质的识别 , 实质上是基于类脂膜
[7 ]

的 。据介绍 ,味觉传感器系统的类脂膜具有典型的长期漂 移的特征 ,这依赖于膜的成份和电势起伏现象
2  伏安分析传感器



研制成功一种新型差动 LAPS法

高灵敏度味觉传感器 ,该方法运用分时技术 ,实现了噪声补 偿 ,提高了系统响应的灵敏性和稳定性 , 与传统 LAPS系统 相比 ,其灵敏度提高了 2 个数量级 。 1996 年 , Uchida H 等 人 [ 12 ]提出一种基于数字 LAPS 系统的高速化学图像传感 器 ,该系统采用数字信号处理技术实现了二维化学图像的 高速监控 ,与传统的模拟表面光伏电压 ( surface photo vol2
tage, SPV )传感器系统相比 , 成像速度提高了 12 倍 。近年

伏安分析法是在外加电压下测定通过溶液的电流来反

映被测对象信息的一种有效而常用的分析方法 。由于其高 灵敏性 、 多功能性 、 简单性 、 鲁棒性等优点而在分析化学方 面得到广泛应用 。根据不同的分析对象 ,伏安法又可分为 循环伏安法 、 反萃伏安法和脉冲伏安法等 。与其他几种伏

安法相比 ,脉冲伏安法具有更高的灵敏性和确定性 , 因此 , 在电子舌领域受到研究者的青睐 。

来 , LAPS的研究仍然向着提高测试速率 , 研制新的半导体 材料以提高空间分辨力 ,以及传感器的亚微型化 、 微型化等 方向发展 。随着 LAPS 味觉传感器研究的深入 , 不断商品 化生产了用于酶标免疫分析系统和体外实时监测活细胞代 谢活性的微生理计 ,而且 ,成功地应用于检测生物膜的电特 性等方 面 。另 外 , 随 着 人 们 对 环 境 问 题 的 日 益 关 注 , 文 http://www.cnki.net

2. 1   伏安法电子舌
伏安法电子舌传感部件由 4 个工作电极 ( Au, Ir, Pt,
Re) 、 个 Ag/AgCl参比电极和 1 个不锈钢辅助电极构成 。 1

工作电极接入继电盒 , 与其他 2 个电极分别构成三电极结 构 。 PC机用于控制稳压器提供电脉冲 、 测量和存储响应电

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                    感 器 与 微 系 统                      26 卷 传 第 6 献 [ 13 ]还研制出一种新型电子舌 , 用于对环境的实时 、 在 线检测 。该电子舌通过 MLAPS与反萃伏安法的集成运用 , 能很好地检测废水或海水中的 Fe, Cr,M n 和 A s等 , 具有广 泛的实用价值与广阔的应用前景 。

4. 2   电导分析传感器
电导分析传感器运用味觉物质使电解液电导率降低的 原理制成 。 CHEN Hung2 等人 [ 17 ] 研制了由 5 只该味觉 wei 酸、 、 苦 鲜的识别研究 。发现除了咸和鲜不能有效地识别 外 ,其他 3 种都呈现出不同的响应模式 。

传感器构成的传感器阵列 , 用于对 5 种基本味道 : 甜 、 、 咸

3. 2   基于光化学原理的集成光学离子传感器
这种传感器主要基于传统化学分析方法中的一种 — 显 色反应 ,使之与微加工技术相结合 ,将酸碱指示剂和金属指 示剂吸附在载体小球上 ,再放置在经微加工制备的微井中 , 颜色的变化通过 CCD 拍摄并存储到计算机中 ,通过计算机 对 实验 数 据进 行处 理 和 识别 。测 试 系 统框 图 如 图 1 所 示 [ 14 ] 。

4. 3   纳米材料传感器

随着纳米技术的发展 ,越来越多的纳米传感器用于味

觉的检测 。纳米材料传感器主要有以下 2 种 : 1)纳米电极 :

黄卫华等人 [ 18 ]首次采用低噪声碳纤维纳米电极对单个鼠 嗜铬神经癌细胞 PC12 中神经递质多巴胺的受激释放进行 了动态时空检测 , 并得到了单个 PC12 细胞内囊泡的多巴 胺量子释放信号 。此外 , 他们还采用与 PC12 细胞内囊泡 尺寸相近的纳米电极对细胞内多巴胺量子释放进行了动态 检测 ; 2)纳米光纤探针 : 1992 年 ,研究者 [ 19, 20 ]首次报道了光 学纳米传感器的结构和使用 ,从此就出现了不同光化学纳 米传感器在 pH 值检测及离子浓度检测方面的运用 。

图 1  离子图像微传感器及检测系统框图
F ig 1  Block d ia gram of ion i age m icrosen sor m and testin g system

5  结束语

1 )新的味敏材料的研制 : 溶液样本中有有机或无机 、

离子或非离子组分之分 , 不同组分的敏感机理也是复杂多 样 ,选择和研制对它们均具有高度交叉敏感特性的传感器 材料非常困难 ,且基于电位或电流检测原理的电子舌系统 中 ,离子选择性电极的选择性和交叉敏感特性也是一对矛 盾 。研制新的味敏材料以解决这些问题将是以后研究的一 个方向 。

   待测溶液通过蠕动泵泵入反应腔体中 ,与吸附在微球 表面的敏感物质发生反应 ,使得小球的颜色发生变化 ,反应 稳定后即提取小球上特定区域的 RGB 值作为传感器的输 出值
[ 14 ]


[ 15 ]

刘大龙等人

应用基于上述原理自制的微结构电子

舌测试了 4 种不同的水 , 即去离子水 、 为 9. 8 的去离子 pH 水、 自来水以及农夫山泉矿泉水 ,发现自来水与矿泉水具有 类似的响应模式 。此外 ,还对 pH 值从 2 ~12 的 50 个溶液 样本进行了测试 ,识别正确率为 92. 15 % , 6 种金属离子可 以被很好的分开 。其中 , Cu2 + , Fe2 + , Ca2 + 和 Fe3 + 的识别 效果好 , Zn2 + 和 M g2 + 识别效果相对差一些 ,其原因是由于 大部分的金属指示剂对于这 2 种离子的响应是类似的 。这 个问题可以进一步通过增加染料的种类和选取合适的染料 来消除 。
4    其 他

2 )传感器向微型化和芯片化方向发展 : 现代 M EM S技

术、 计算机技术和信息智能化技术的飞速发展 ,使传感部件 的微型化和芯片化成为可能 。已经有相关文献 [ 21 ]报道 了电子舌芯片的研制 ,这将是电子舌传感器继续发展的一 个趋势 。
3)不同感受机理的传感器联合使用 : 敏感性和检测精

度是电子舌传感器的 2 个主要性能指标 ,不同种类传感器 的集成应用以提高其识别能力将是电子舌传感器发展动 向。

4 )增强实用能力 , 促进电子舌的进一步商品化 : 据报

4. 1  SH— SAW 味觉传感器
SH— SAW ( shear horizontal surface acoustic wave) 味觉传

道 ,有些公司已经推出了商品化的电子舌系统 ,但依然存在 着传感器长期使用会产生漂移 、 检测环境和检测过程中温 度、 湿度的变化会影响传感器的响应 、 价格昂贵 、 便携性差 、 功耗高等问题 。因此 ,寻找新的突破点 ,研究便携 、 低功耗 、 使用方便 、 价格适宜 、 性能稳定的电子舌系统将是研究人员 继续努力的目标 。 参考文献
[ 1 ]  Schoning M J, Schm idt C, Schubert J, et al Thin film sensors on . the basis of chalcogenide glass materials p repared by pulsed laser deposition technique [ J ]. Sensors and Actuators B , 2000 ( 68 ) :

感器根据 SH— SAW 的声电效应来实现对液体样品的识别 , 具有很好的可重复性和稳定性 。文献 [ 16 ]选用 3 种不同 中心频率 ( 30, 50, 100MHz)的 SH— SAW 装置组建味觉传感 器 ,用于 11 种水果汁的分析识别 。结果表明 : SH— SAW 味 觉传感器能识别出不同产地和公司的橘子汁 ,在味觉识别 中具有巨大潜力 。

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.

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第 2 期                  雷勇杰 ,等 : 电子舌常用传感器研究进展                 7
254 - 259. [ 2 ]  Schoning M J,Mourzina Y G, Schubert J, et al Can pulsed laser . deposition serve as an advanced technique in fabricating chem ical sensor[ J ]. Sensors and Actuators B , 2001 ( 78) : 273 - 278. [ 3 ]   Gü Ekmekci, Sü üKalayc∞ Gü Somer A solid 2state hy2 ler kr , ler . droxide ion selective electrode for the measurement of high pH values[ J ]. Sensors and Actuators B , 2004 ( 101) : 260 - 264. dyl ion [ J ]. Talanta, 2003 ( 60) : 853 - 859. [ 5 ]   Kiyoshi Toko. Taste sensor [ J ]. Sensors and Actuators B, 2000 (64) : 205 - 215. [ 6 ]  Kiyoshi Toko. Electronic tongue[ J ]. B iosensors & B ioeletronics, 1998 ( 13) : 701 - 709. [ 7 ]  V lasov Y, Legin A , Rudnitskaya A. Electronic tongues and their analytical app lication [ J ]. Anal B ioanal Chem , 2002 ( 373 ) : 136 - 149. [ 8 ]   Patrik Ivarsson, Yukiko Kikkawa, Fredrik W inquist, et al Com 2 . parison of a voltammetric electronic tongue and a lip id membrane taste sensor[ J ]. Analytica Chim ica Acta, 2001 ( 449) : 59 - 68. [ 9 ]  V lasov Y, Legin A , Rudnitskaya A. Electronic tongues and their analytical app lication [ J ]. Anal B ioanal Chem , 2002 ( 373 ) : 136 - 149. [ 10 ] W inquist F,W ide P, Lundstrom N. An electronic tongue based on voltammetry[ J ]. Analytica Chim ica Acta, 1997 ( 357) : 21 - 31. [ 11 ] Sasaki Y, Kanai Y, Uchida H, et al H ighly sensitive taste sensor . with a new differential LAPS method [ J ]. Sensors and Actuators B , 1995 ( 24 - 25) : 819 - 822. [ 12 ] Uchida H , Zhang W Y, Katsube T H igh speed chem ical im age . sensor with digital LAPS system [ J ]. Sensors and Actuators B , 1996 ( 34) : 1 - 4. [ 13 ] MEN Hong, ZOU Shao 2fang, L I Yi, et al A novel electronic . mental[ J ]. Sensors and Actuators B , 2005 ( 110) : 350 - 357. [ 14 ] HE Hui2qi, XU Gai2xia, YE Xue2song, et al A novel chem ical . im age sensor consisting of integrated m icrosensor array chip s and pattern recognition [ J ]. Meas Sci Technol, 2003 ( 14 ) : 1040 1046. [ 15 ] 刘大龙 ,方日方 ,门   ,等. 用于环境检测的电子舌研究 [ J ]. 洪

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(上接第 3 页 )

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diam inonaphthalen electrode for selective determ ination of vana2

作者简介 :

tongue combined MLAPS with stripp ing voltammetry for environ2

究生 ,研究方向为智能仪器 。

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781.

作者简介 :

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雷勇杰 ( 1981 - ) ,男 ,湖北仙桃人 , 武汉理工大学在读硕士研

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杨   ( 1976 - ) ,男 ,四川攀枝花人 ,硕士研究生 , 现从事微气 勇

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