電子鼻技術(shù)及其在種子品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用概況

徐凱杰

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

2022 年“中央一號(hào)文件”特別指出大力推進(jìn)種源等農(nóng)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，全面實(shí)施種業(yè)振興行動(dòng)方案，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源普查收集，強(qiáng)化精準(zhǔn)鑒定評(píng)價(jià)。種子在保存或使用前通常要對(duì)其品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，傳統(tǒng)檢測(cè)方法準(zhǔn)確性較高，但過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)費(fèi)力，時(shí)效性較差且易造成種子的損耗，不利于稀有種質(zhì)資源的保護(hù)。種子在不同狀態(tài)下的氣味變化能反映種子品質(zhì)，電子鼻技術(shù)因可以檢測(cè)氣體信號(hào)，在種子品質(zhì)的快速、無(wú)損、準(zhǔn)確檢測(cè)方面極具應(yīng)用潛力。文章結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，簡(jiǎn)述了電子鼻技術(shù)的特點(diǎn)及其在種子品質(zhì)檢測(cè)中應(yīng)用的4 個(gè)方面: 辨別霉變種子和區(qū)分霉變程度、種子貯藏時(shí)間鑒別、種子活力檢測(cè)、同名種質(zhì)鑒別，分析了電子鼻技術(shù)在種子品質(zhì)檢測(cè)應(yīng)用中有待解決的相關(guān)問(wèn)題，并提出了展望。

1 電子鼻技術(shù)簡(jiǎn)介

電子鼻亦被稱(chēng)作人工嗅覺(jué)系統(tǒng)，其模擬動(dòng)物嗅覺(jué)功能，依靠氣味識(shí)別物質(zhì)的成分信息。隨著研究的深入，電子鼻的應(yīng)用范圍逐漸延伸至食品、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。主流的電子鼻產(chǎn)品多為外國(guó)公司生產(chǎn)，有德國(guó)Airsense 電子鼻系統(tǒng)和法國(guó)Alpha-MOS 阿默思電子鼻系統(tǒng)等。

電子鼻可模擬動(dòng)物嗅覺(jué)，進(jìn)而對(duì)氣體作出感知、分析和判別，電子鼻系統(tǒng)與動(dòng)物嗅覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成相類(lèi)似，有3 個(gè)部分，即氣體傳感器陣列、信號(hào)處理系統(tǒng)和模式識(shí)別系統(tǒng)。

1.1 氣體傳感器陣列

氣體傳感器是電子鼻的核心，不同傳感器陣列對(duì)不同氣體的敏感性不同，含有對(duì)不同氣體敏感傳感器組合的電子鼻能夠獲得樣品揮發(fā)性氣體的綜合信息。與動(dòng)物嗅覺(jué)系統(tǒng)一樣，捕捉到的是樣品總體氣味。因制造材料不同，常見(jiàn)的氣體傳感器及其陣列有3 種分類(lèi)，即金屬氧化物傳感器及其陣列、導(dǎo)電聚合物傳感器及其陣列和質(zhì)量傳感器及其陣列。

1.2 信號(hào)處理系統(tǒng)

信號(hào)處理系統(tǒng)處理傳感器陣列獲取的信號(hào)，對(duì)信號(hào)的處理包含濾波、放大以及特征的提取3 個(gè)步驟，其中特征的提取最為關(guān)鍵。常用的特征提取算法包括差分法、相對(duì)法、對(duì)數(shù)法和歸一法等。信號(hào)處理方法的選用要由所匹配的傳感器特性、識(shí)別方法和最終的識(shí)別目的決定。

1.3 模式識(shí)別系統(tǒng)

模式識(shí)別是緊隨信號(hào)預(yù)處理后的進(jìn)一步加工，以獲取氣體成分及濃度信息。模式識(shí)別包括監(jiān)督學(xué)習(xí)和應(yīng)用兩個(gè)步驟，監(jiān)督學(xué)習(xí)用待識(shí)別氣體來(lái)調(diào)教電子鼻，使其具有感應(yīng)待測(cè)氣體的能力，受調(diào)教后的電子鼻在應(yīng)用階段能夠識(shí)別特定氣體。典型模式識(shí)別方法包括偏最小二乘回歸法（PLS）、主成分分析（PCA）以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）。

2 電子鼻技術(shù)在種子品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用概況

2.1 應(yīng)用于辨別霉變種子和區(qū)分霉變程度

傳統(tǒng)種子霉變檢測(cè)較為繁瑣，多依靠人工對(duì)種子霉變情況進(jìn)行判別。雖然人工方法準(zhǔn)確性較高，但耗時(shí)費(fèi)力，不能達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求。電子鼻可以感應(yīng)真菌活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的氣味，對(duì)其霉變情況進(jìn)行檢測(cè)。庫(kù)晶[1]搭建了可實(shí)現(xiàn)稻谷霉變?cè)诰€(xiàn)快速檢測(cè)的無(wú)線(xiàn)電子鼻裝置，該裝置包含氣體檢測(cè)部分、下位機(jī)和上位機(jī)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)獲取、加工、顯示、傳遞及保存等步驟。利用氣體濃度來(lái)檢測(cè)霉菌含量，該套設(shè)備測(cè)試后得到的霉菌檢出限是1.5×10 cfu/g，分辨率為1.5×10 cfu/g。該裝置還分別選用MQ6 和TGS813 傳感器作為構(gòu)建霉菌預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)，靈敏度分別為0.052 和0.070。鄭豪男[2]用電子鼻區(qū)分不同霉變程度的小麥，并優(yōu)化電子鼻氣體傳感器陣列。對(duì)揚(yáng)麥23 和華麥3 樣品進(jìn)行連續(xù)8 d 的電子鼻數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，數(shù)學(xué)計(jì)算處理后建立小麥霉變程度預(yù)測(cè)模型。王蓓[3]借助Fox-3000 型電子鼻建立花生受異種霉菌菌株感染后的霉變程度及霉菌含量的同步快速檢測(cè)方法，采用LDA、PLS-DA 方法可以很好地將單一霉菌侵染樣品的霉變程度及霉菌含量進(jìn)行分類(lèi)，準(zhǔn)確率均＞80%。

2.2 應(yīng)用于鑒別種子貯藏時(shí)間

貯藏時(shí)間對(duì)種子的品質(zhì)有顯著影響，種子貯藏時(shí)間越長(zhǎng)，種子的發(fā)芽率、活力以及出苗率均降低。不法商販常將陳年種子摻到新種子中出售，影響種植戶(hù)利益。電子鼻應(yīng)用于種子貯藏時(shí)間的判別，為區(qū)分種子純度和遏制地以次充好提供了快捷方法。程紹明[4]使用PEN2 電子鼻系統(tǒng)以幾種不同生產(chǎn)年份的番茄種子為實(shí)驗(yàn)材料，較好地區(qū)分出不同生產(chǎn)年份番茄種子的特性。PCA 方法基本能夠區(qū)分出不同年份特定比例混合在一起的種子，但PCA 較難區(qū)分摻雜比例為37.5%和50%的種子。線(xiàn)性判別分析（LDA）能較好地識(shí)別出不同年份特定比例混合的番茄種子，且每個(gè)混合種類(lèi)地區(qū)域集中性均較好。因此，LDA 方法獲得的數(shù)據(jù)比PCA 方法獲得的數(shù)據(jù)區(qū)域集中性更好。基于PCA 和LDA 的結(jié)果，分別使用BP 人工地神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)算法區(qū)分相互地混合的7 份種子試樣，分析數(shù)據(jù)比較后可知，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的準(zhǔn)確性更高，具有很好的預(yù)測(cè)性能。

2.3 應(yīng)用于種子活力檢測(cè)

種子活力也是種子品質(zhì)的一個(gè)重要表現(xiàn)。常規(guī)種子活力檢測(cè)方法多依靠手工檢測(cè)，工作量大、可重復(fù)性差、耗時(shí)長(zhǎng)且受環(huán)境影響大，無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前種業(yè)發(fā)展的要求。已有學(xué)者將電子鼻技術(shù)應(yīng)用于探究種子活力的準(zhǔn)確高效檢測(cè)。張婷婷[5]采用PEN3 電子鼻系統(tǒng)對(duì)未老化、58 ℃水浴老化和50%甲醇老化的小麥種子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，采用不同分析方法識(shí)別了人工老化后的小麥種子活力水平。測(cè)試數(shù)據(jù)表明：人工老化后活力有差別的小麥種子在傳感器上的特征性響應(yīng)也有差別；PCA 方法不能區(qū)別熱水浴老化后活力水平相當(dāng)?shù)男←湻N子；LDA 方法對(duì)熱水浴老化和甲醇老化后活力水平表現(xiàn)差異的小麥種子區(qū)分效果都很明顯；loading 方法區(qū)分熱水浴老化和甲醇老化后活力水平有差異的麥種氣味成分的差別。數(shù)據(jù)表明，用電子鼻技術(shù)能夠檢測(cè)出不同活力水平小麥種子的揮發(fā)性成分信息，利用LDA 方法能精準(zhǔn)快捷區(qū)分具有活力水平差異的小麥種子，借助loading 方法能區(qū)分有差異性氣體的成分信息。電子鼻系統(tǒng)在檢測(cè)作物種子活力上的應(yīng)用仍存在一些問(wèn)題，如作物品種、生長(zhǎng)年份和原產(chǎn)地的差異亦會(huì)對(duì)種子氣味產(chǎn)生影響，需重復(fù)建模，工作量大。

2.4 應(yīng)用于同名種質(zhì)鑒別

在庫(kù)存種質(zhì)資源管理中，常出現(xiàn)種質(zhì)同名的現(xiàn)象。庫(kù)存同名種質(zhì)的區(qū)分工作往往需要耗費(fèi)大量人力，表型性狀和SSR 分子標(biāo)記等鑒別同名種質(zhì)的方法易受環(huán)境和人為因素影響，也易因測(cè)試耗時(shí)和存在對(duì)種質(zhì)資源破壞的可能而應(yīng)用受限。電子鼻技術(shù)作為一種新型快捷檢測(cè)手段在種質(zhì)資源品種鑒別方面亦有應(yīng)用。趙婧[6]以10 份不同來(lái)源但同名的大豆種子為研究對(duì)象，首先根據(jù)種子的目錄性狀資料計(jì)算其遺傳距離和遺傳相似系數(shù)，通過(guò)聚類(lèi)分析可以將10 份種子中的6 份區(qū)分開(kāi)來(lái)。利用電子鼻檢測(cè)技術(shù)分別識(shí)別10 份大豆種子的揮發(fā)性氣體成分，比較了LAD 和PCA 對(duì)同名種質(zhì)的區(qū)分度，PCA 法成功地將10 份種子區(qū)分開(kāi)來(lái)。王鑫源[7]通過(guò)超快速氣相電子鼻技術(shù)，從揮發(fā)性氣體含量上的差異比較區(qū)分了不同產(chǎn)地和類(lèi)型的莧科植物牛膝種子，為中草藥種子的種類(lèi)判別提供了新思路。

3 問(wèn)題與對(duì)策

電子鼻技術(shù)在諸多領(lǐng)域已取得了較為廣泛的應(yīng)用，但其在種子品質(zhì)檢測(cè)方面的應(yīng)用尚停留在小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室階段，主要是由于其在種子品質(zhì)檢測(cè)方面尚有一些問(wèn)題。

3.1 電子鼻設(shè)備對(duì)國(guó)外設(shè)備依賴(lài)大

多數(shù)文獻(xiàn)里使用的電子鼻系統(tǒng)多為國(guó)外生產(chǎn)，進(jìn)口電子鼻設(shè)備雖然檢測(cè)精度高、使用效果更好，但價(jià)格偏貴，不利于電子鼻設(shè)備在種子品質(zhì)檢測(cè)方面的推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)相關(guān)電子鼻廠(chǎng)商要提高自主研發(fā)能力，逐步提高國(guó)產(chǎn)電子鼻系統(tǒng)的技術(shù)水平。

3.2 傳感器的性能有待提高

電子鼻系統(tǒng)自身的漂移性使種子品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果存在差異。傳感器陣列的校正和數(shù)據(jù)的訓(xùn)練通用性不高，這與傳感器在制造工藝和響應(yīng)特點(diǎn)的重復(fù)性不高有關(guān)。一旦被測(cè)氣體的成分產(chǎn)生變化，傳感器亦需要更換或增加，這影響了使用便利性。需自主研發(fā)性能更優(yōu)異、準(zhǔn)確性和通用性更高的氣體傳感器，降低其對(duì)工作環(huán)境的要求。

3.3 種子品質(zhì)檢測(cè)模型準(zhǔn)確性和通用性有待提高

種子的生長(zhǎng)年份、原產(chǎn)地、加工環(huán)境和運(yùn)輸狀態(tài)等參數(shù)的差異亦會(huì)對(duì)種子的氣味成分產(chǎn)生影響，因而檢測(cè)區(qū)分同一品種種子的不同批次時(shí)需重復(fù)調(diào)教傳感器，重復(fù)修改建模，增加了工作量。常規(guī)模式識(shí)別方法多采取較為簡(jiǎn)單的線(xiàn)性處理策略，實(shí)際中傳感器反饋機(jī)制較為復(fù)雜，因而較難構(gòu)建準(zhǔn)確性好且通用性高的種子品質(zhì)檢測(cè)模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜非線(xiàn)性處理的一種策略，較常規(guī)識(shí)別方法的識(shí)別效果更佳。因而需要加強(qiáng)對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的研究，尋求更好的數(shù)據(jù)特征提取技術(shù)和識(shí)別方法，以提高種子品質(zhì)檢測(cè)模型準(zhǔn)確性和通用性。

4 結(jié) 語(yǔ)

電子鼻在種子品質(zhì)檢測(cè)方面的應(yīng)用與傳統(tǒng)的種子品質(zhì)檢測(cè)分析方法相比，測(cè)定速度快，能及時(shí)反饋信息，無(wú)需進(jìn)行樣本老化處理，是一種環(huán)保的檢測(cè)手段。但電子鼻技術(shù)在種子品質(zhì)檢測(cè)的應(yīng)用尚存問(wèn)題有待解決，這些問(wèn)題的解決還需要諸多方面的綜合改進(jìn)提升，如提升傳感器芯片和陣列的制造水平，以及進(jìn)一步優(yōu)化信號(hào)處理算法。在新型傳感器技術(shù)、微電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展以及信號(hào)處理方法逐步完善的背景下，電子鼻技術(shù)將向著集成化、小型化、實(shí)用化的趨勢(shì)發(fā)展，其在種子品質(zhì)檢測(cè)中的使用前景將會(huì)更加廣闊。