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

檢測儀器

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

研究目的

（1）詳細區(qū)分傳感器對不同濃度嗅味物質的響應，并進行主成分分析（PCA）和線性判別分析（LDA）；（2）通過電子鼻檢測研究對不同密度的銅綠微囊藻產生的揮發(fā)性嗅味物質的分析；（3）探究電子鼻的區(qū)分程度以及相應的傳感器響應強度，為水中嗅味物質的快速、穩(wěn)定檢測提供可靠數據。

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%，這表明它能夠分別代表 2 - 甲基異冰片、土臭素、β- 環(huán)檸檬醛和 β- 紫羅蘭酮的所有樣本。沿著第一主成分（PC1）方向，2 - 甲基異冰片、土臭素、β- 環(huán)檸檬醛和 β- 紫羅蘭酮的嗅味響應值分布呈現出特定趨勢，且隨著濃度升高，第一主成分（PC1）的值也隨之增加。此外，樣本的揮發(fā)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(qū)分 2 - 甲基異冰片、土臭素、β- 環(huán)檸檬醛和 β- 紫羅蘭酮的不同濃度。每個濃度使用三個樣本，這表明傳感器響應具有較高的可重復性。

圖 1（e）、（f）、（g）和（h）展示了純水中 2 - 甲基異冰片、土臭素、β- 環(huán)檸檬醛和 β- 紫羅蘭酮的線性判別分析（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(huán)檸檬醛和 β- 紫羅蘭酮的第一線性判別因子（LD1，x 軸）和第二線性判別因子（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 / 升的濃度范圍內可以區(qū)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(qū)分開來，但濃度在 40 至 85 納克 / 升的樣本之間不能清晰區(qū)分，2 - 甲基異冰片的嗅覺閾值濃度為 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(qū)分開來。

在圖 3（d）中，響應值隨著濃度增加而上升。九種物質在傳感器 R2、R6 和 R8 上表現出較高的響應值。R8 對樣本的氣味給出了更強且不同的響應，其主要敏感結構是醇類、醛類和酮類（表 2）。苯甲醛含有醛基，具有最大的嗅覺閾值、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(yǎng)基中不同濃度下的氣味進行了分析，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。沿著第一主成分（PC1）方向，銅綠微囊藻的氣味響應值隨著藻細胞密度的增加而升高。此外，細胞密度在 1.08×10?個細胞 / 毫升至 5.53×10?個細胞 / 毫升之間時，其揮發(fā)性成分沒有重疊，這說明電子鼻具有足夠的分辨能力來區(qū)分高密度（如超過 10?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別因子（LD1，x 軸）和第二線性判別因子（LD2，y 軸）占總方差的比例超過 97.86%。細胞密度在 1.08×10?個細胞 / 毫升至 5.53×10?個細胞 / 毫升之間時沒有重疊，而在 3.05×10?個細胞 / 毫升至 1.08×10?個細胞 / 毫升之間的密度存在重疊，這意味著最低密度和高密度下的氣味能夠很好地區(qū)分開來，并且在對數生長期初期，這些氣味相對相似。處于滯后期的低密度銅綠微囊藻需要適應 BG11 培養(yǎng)基的新環(huán)境，所以其氣味能夠與其他密度下的氣味區(qū)分開來。對數生長期初期藻類的生長速率比對數生長期后期的生長速率慢，并且細胞密度在 3.05×10?個細胞 / 毫升至 1.08×10?個細胞 / 毫升之間時的氣味可能相似。

結論

便攜式電子鼻 PEN3 被用于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(huán)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產生的嗅味物質。在 0 到 85 納克 / 升的濃度范圍內，能夠區(qū)分 2 - 甲基異冰片和土臭素，并且電子鼻可以識別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）和線性判別分析（LDA）方法，能夠有效識別出濃度為嗅閾值 1 至 3 倍的這些嗅味物質。起識別作用的傳感器是 R8 和 R6，它們的主要敏感結構為醇類、醛類以及甲基基團。對于銅綠微囊藻，細胞密度在 1.08×10?個細胞 / 毫升至 5.53×10?個細胞 / 毫升之間時，其揮發(fā)性成分沒有重疊，并且電子鼻在高細胞密度下有足夠的分辨能力來區(qū)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。電子鼻可應用于監(jiān)測水源水中的嗅味（T&O）化合物，預防產生不良嗅味物質和異味。由于水源水中存在大量的嗅味物質和產嗅藻類，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：國家環(huán)境保護食物鏈污染控制重點實驗室《Electronic nose application for detecting different odorants in source water: Possibility and scenario》