0? 引? 言

　　揮發(fā)性有機(jī)氣體的檢測(cè)在醫(yī)療，環(huán)保，工業(yè)和商業(yè)系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用，例如環(huán)境監(jiān)測(cè)、質(zhì)量控制以及醫(yī)療診斷等，因此發(fā)展高靈敏度、高選擇性、質(zhì)量可靠的便攜式傳感系統(tǒng)用于揮發(fā)性有機(jī)化合物的檢測(cè)有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái)，Illinois大學(xué)的Kenneth S．Slasliek教授根據(jù)一系列在陣列上固定下來(lái)的氣敏染劑對(duì)不同氣體的顏色反應(yīng)，研制出了一種新的氣體檢測(cè)陣列。該陣列對(duì)于某一特定的被分析物具有良好的線性響應(yīng)，對(duì)于某一被分析物的混合物也有其相應(yīng)的響應(yīng)。這種被其發(fā)明者稱(chēng)為“可視嗅覺(jué)”的技術(shù)很類(lèi)似于判斷石蕊試紙是否從藍(lán)色變到紅色，就可判斷溶液是否呈酸性一樣。因此，該設(shè)計(jì)基于敏感薄膜陣列的圖像識(shí)別系統(tǒng)，用于對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物氣體分子的識(shí)別。

1敏感陣列響應(yīng)原理

　　目前電子鼻的檢測(cè)機(jī)理大多是基于相對(duì)較弱的化學(xué)交互作用(如吸附作用)，包括傳導(dǎo)聚合體和聚合體分析物的使用，熒光材料／聚合體系統(tǒng)，錫氧化物傳感器和聲表面波裝置等，并且采用的氣敏裝置多是金屬氧化物，所以只能用于檢測(cè)帶有非配位鍵的有機(jī)氣體，對(duì)于帶有金屬鍵的有機(jī)氣體就無(wú)法識(shí)別。另外，金屬氧化物傳感器存在難以克服的受環(huán)境濕度影響大的缺點(diǎn)。由此可見(jiàn)，雖然傳統(tǒng)的傳感器在某些方面已經(jīng)取得巨大成就，但是它們?cè)跉怏w檢測(cè)方面已達(dá)到瓶頸，很難有新的突破，其根本原因就在于檢測(cè)機(jī)理的局限性，即檢測(cè)依靠的敏感材料中的分子與被檢測(cè)物分子間的作用力單一而且較弱。本文研究的敏感材料有金屬卟啉和Pt(Me2bzimpy)Cl-的Cl-鹽，用它們做成的陣列組成可視嗅覺(jué)電子鼻。金屬卟啉分子與特定的易揮發(fā)有機(jī)氣體分子之間的作用力有很多種，不僅包含作用力較強(qiáng)的路易斯酸堿作用，由金屬離子與電子組成的配位鍵的作用，還包含作用力較弱的氫鍵作用，電偶極矩間的作用，甚至范德華力。當(dāng)氣體與金屬卟啉接觸時(shí)，很短時(shí)間內(nèi)金屬卟啉分子便通過(guò)以上作用與氣體分子結(jié)合，由于不同的氣味分子與金屬離子的鍵合力大小和張力是不同的，接觸后金屬卟啉表面的顏色變化也各不相同。后一種材料的顏色變化則靠的是分子間較弱的作用，從加熱后該材料顏色很快復(fù)原即可看出。因此，由這些材料組成敏感陣列，用其對(duì)同一待測(cè)氣體的共同顏色變化來(lái)判別氣體，不僅從根本上解決的檢測(cè)機(jī)理的局限性，而且提高了檢測(cè)精度，增加了可檢測(cè)氣體的種類(lèi)。

2? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

　　2.1? 敏感陣列的制作

　　這里分別用氣敏陣列對(duì)二甲胺、甲醇、乙醛等14種揮發(fā)性有機(jī)氣體做了顏色反應(yīng)和后端處理(見(jiàn)圖1)，實(shí)驗(yàn)證明，它可對(duì)這些氣體進(jìn)行有效的識(shí)別。
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　　首先準(zhǔn)備15個(gè)大小合適的硅膠板作為敏感材料的載體，14個(gè)容量為60 mL的廣口瓶作為反應(yīng)的容器，并分別對(duì)它們編號(hào)。然后井始制作敏感陣列，選取的敏感材料有銅卟啉，鋅卟啉，鎳卟啉和Pt(Me2bzimpy)Cl-的Cl-鹽共4種，因此可以做成2×2的敏感陣列。取上述種材料各4 mg，使其溶于2 m L的氯仿中，待完全溶解，配成2 mg／mL的溶液，然后用量程為10μL的針管吸取適量的銅卟啉溶液，在15個(gè)硅膠板的左上角滴大概3μL溶液，然后把針頭放入氯仿中反復(fù)吸推清洗針管，按如上方法把鋅卟啉溶液滴在硅膠板的右上，鎳卟啉溶液滴在左下，剩下的一種滴在右下。最后把15片硅膠板放到60℃的烘箱中烘15 min把氯仿全部驅(qū)除即可進(jìn)行氣體的檢測(cè)。

　　與氣體接觸前先對(duì)15個(gè)硅膠板在良好光照條件下拍照，記錄初始顏色陣列。在1～14號(hào)廣口瓶中分別滴入0.1 mL四氫呋喃，二甲胺，三乙胺，二異丙胺，甲醇，乙醇等液體；然后用膠帶站在硅膠板背面，把1～14號(hào)硅膠板懸于對(duì)應(yīng)廣口瓶中(15號(hào)用于對(duì)比)，蓋上瓶蓋密封15 min待反應(yīng)完全，這時(shí)可看到各個(gè)顏色陣列已有明顯的變化。最后，取出硅膠板，拍照記錄?？梢钥吹?，制作的氣敏陣列能對(duì)這14種氣體產(chǎn)生明顯的顏色變化，肉眼即可對(duì)其進(jìn)行分辨。

　　2.2? 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

　　通過(guò)觀察個(gè)硅膠板通氣前后的圖像可知，鎳卟啉對(duì)各氣體均無(wú)顏色變化反應(yīng)，所以每幅圖像的有用信息只用銅卟啉溶液滴涂的顏色塊，鋅卟啉溶液滴涂的顏色塊和Pt(Me2bzimpy)Cl+的Cl-鹽溶液滴涂的顏色塊即可表示。對(duì)于每一顏色塊的信息，可用其所有像素的平均R，G，B值來(lái)代表。考慮到具體拍照的光照環(huán)境，配制溶液的濃度以及滴涂時(shí)溶液在硅膠板上的擴(kuò)散程度都會(huì)對(duì)采集到的圖像的亮度和色度產(chǎn)生影響，這里用通氣后像素塊所有像素的平均R，G，B值減通氣前的平均R，G，B值來(lái)代表敏感陣列對(duì)氣體的顏色響應(yīng)，因?yàn)橛们昂蟮牟钪挡粌H能抵消光照環(huán)境的影響，而且差值受溶液配制濃度和溶液在硅膠板上擴(kuò)散程度的影響只有原始圖像受這些因素影響的12%。最后可以得到，敏感陣列對(duì)每種氣體的顏色響應(yīng)矩陣，即氣體的特征矩陣：

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????? 式中：下標(biāo)1，2，3分別表示左上，右上，和右下顏色塊的平均R，G，B值(左下顏色塊由于響應(yīng)不明顯被拋棄)。

　　具體做法如下：

　　(1)先用Photoshop軟件對(duì)每一個(gè)硅膠板通氣前和通氣后的圖像進(jìn)行圖像分割，對(duì)每幅圖像，分別剪取3個(gè)顏色塊的內(nèi)接正方形并保存，這樣就在不丟失圖像信息的情況下把圖像分割成了3幅小圖像以利于后面的處理。

　　(2)用Matlab軟件編寫(xiě)程序提取圖像信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這里求出了各種氣體的特征矩陣，并用它們組成了識(shí)別氣體的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后用歐氏距離作為衡量各氣體相似度的標(biāo)準(zhǔn)，利用式(1)計(jì)算氣體兩兩間的距離。

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　　式中：x，y代表通入的不同的氣體；i可取1，2，3，意義同氣體特征矩陣的下標(biāo)。