电子舌系统（cTongue电子舌介绍）

cTongue电子舌系统

一、概述

  电子舌系统cTongue 是由上海保圣结合高校十多年科研积累研制开发的一种新型电子舌系统，也是国际第五套商品化的电子舌产品。目前，电子舌已经成功应用于饮料、白酒、干红葡萄酒、乳制品以及龙井茶等多类食品的品质控制、真伪辨识当中，并且与多家单位正式合作。

  电子舌系统以原创性的组合脉冲弛豫谱为技术核心，利用不同性质的贵金属电极优化组合成传感器阵列，结合特定的智能自学习、自辨识模式识别算法构建的一类新型电子舌系统。它由三个结构部分组成：（1）传感器阵列（2）组合脉冲弛豫谱信号激发与接收装置（3）智能模式识别软件系统。（电子舌系统见图1）

源于生物味觉感受

交互敏感的传感器阵列/信号激发采集模块/模式识别

交互敏感的传感器阵列相当于生物体的舌头，不同的传感器相当于舌头上四处分布的味蕾。负责采集不同味觉物质的响应信号；信号激发采集模块发射-激发能量作用于传感器阵列，触使传感器阵列能够采集味觉物质的响应信号；模式识别和多元统计分析方法相当于人类的大脑，分析采集的信号，给出物质区分辨识或感官性质的信息。

图1 cTongue电子舌系统

二、电子舌系统的来源

  电子舌设计思想源自于生物感受味觉的机制。电子舌系统中的传感器阵列即相当于生物系统中的舌头，感受不同的化学物质，采集各种不同的信号信息输入电脑，电脑代替了生物系统中的大脑功能，通过软件进行分析处理,针对不同的物质进行区分辨识，最后给出各个物质的感官信息。传感器阵列中每个独立的传感器仿佛舌面上的味蕾一样，具有交互敏感作用，即一个独立的传感器并非只感受一种化学物质，而是感受一类群化学物质，并且在感受某类特定的化学物质的同时，还感受另一部分其它性质的化学物质。

 传统的电子舌设计思路往往集中在如何设计具有特殊交互敏感的传感器阵列，大量的研究者将工作重心放在了传感器脂质敏感膜的修饰当中。然而，由于修饰传感器本身重现性、稳定性、使用环境和寿命等问题，大大限制了电子舌的发展。电子舌利用组合脉冲弛豫技术，以电位作为脉冲的物理形式，以响应电流作为组合弛豫谱，使得非修饰惰性金属传感器在检测溶液中体现交互敏感信息。由于非修饰惰性金属传感器——稳定性、重现性好，耐腐蚀试用面广等特点，极大的拓展了电子舌系统的应用领域。

三、组合弛豫脉冲弛豫谱

        脉冲弛豫是指一个特定体系受到某种瞬时物理脉冲作用后，除有一种对应的瞬时物理响应之外，还存在着一个随时间延滞体系恢复到原初状态的弛豫过程。不同物理体系中不同物质成份，对同一种瞬时物理脉冲作用表现的弛豫行为是不同的。脉冲实现的物理形式和技术方法可以多种多样，利用不同形式的物理脉冲及其组合，得到特定体系特有的复杂信息，从而构成了一种新的智能分析的科学思想和技术方法，称之为组合脉冲弛豫谱。

电子舌系统利用电化学方法，结合传感器技术，以电压为激发信号，电流为传感器响应信号，实现电化学组合脉冲弛豫谱。如图2所示，当电子舌在传感器上施加瞬间脉冲电压（h）时，被检测溶液中的所有组分由于电场的电离作用，快速的在溶液中移动或是在电极表面发生氧化还原反应，从而相应的产生瞬间尖峰电流（如图中S1所示）。随后脉冲电压持续施压一定时间（t1），对应脉冲尖峰电流随时间衰减，形成完整的脉冲弛豫（S1）。再配合另外两个参数——脉冲时间间隔（t2）和基线漂移量（ρ），就能形成由多个脉冲弛豫（S1）组成的组合脉冲弛豫谱（S）。

图2 组合脉冲驰豫谱技术原理示意图

Fig. 2 The Sketch Of Combinatorial Pulse Relaxation Spectrum

                           公式（1）

S－组合脉冲驰豫谱

Si－独立脉冲驰豫曲线

h－脉冲强度

t1－脉冲时间

t2－脉冲时间间隔

ρ－脉冲基线漂移量

四、组合弛豫脉冲技术在电子舌中的数学表达形式

 从电子舌的技术实现上而言，最初的设计模型来自于传统分析化学的多传感器多组分分析。这类特异性传感器阵列多组分分析可以用以下数学式进行表达：假设某溶液中含有N个组分，并且每个组分的浓度分别为C1、C2、… 、CN，现在用由M个传感器组成的传感器阵列的电子舌系统对溶液进行测定，并且每个组分都会在传感器得到响应，以Si（1<i<M）作为第i个传感器的信号强度。这样，M个传感器组成阵列可以得到如下方程：

S1＝A₁,₁ C₁+A₁,₂ C₂＋… ＋A_1,N C_N

S₂＝A_{2,1 C1}+A_{2,2 C2}＋… ＋A_2,NC_N                      

……

S_M＝A_{M,1 C1}+A_{M,2 C2}＋… ＋A_M,N C_N

 其中，由于每个传感器都是特异性的，即只对溶液中某个独立的组分起响应，所以A_i,j是第i个传感器响应强度信号和第j个组分浓度之间的比例常数。从方程（2）可知，只要M≥N时，方程可以通过矩阵运算求出溶液中每个组分的浓度。

 电子舌技术与传统的多传感器多组分分析最大的不同就是把生物味觉系统中味蕾的交互敏感原理和传统的传感器阵列多组分分析结合在一起，即用选择性不是特别强，同时又具有一定交互敏感性的传感器来代替传统的选择性特别强的特异性传感器组成传感器阵列。这样，方程（2）中的系数A_i,j变成与溶液中第j个组分浓度相关的一个非线性函数。此时，对方程（2）求解的时候，就要求使用人工神经网络等非线性的模式识别方式，首先对电子舌进行训练，建立自学习专家数据库，建立Ai,j的标准形式，然后再进行计算。

 以上为传统的电子舌设计方法，电子舌组合脉冲驰豫谱的思想为在原始单一激发S，转变为由Si组合而成的组合激发驰豫信号。假设S_i其参数变化为1～K，这样可以重新对方程（2）修正，针对某个特定的采集信号强度Pi，参入不同强度的S信号，列方程如下：

S₁⁽¹⁾＝A_1,1⁽¹⁾C₁+A_1,2⁽¹⁾C₂＋… ＋A_1,N⁽¹⁾C_N

S₁⁽²⁾＝A_2,1⁽²⁾C₁+A_2,2⁽²⁾C₂＋… ＋A_2,N⁽²⁾C_N

_{… …}                                                                            （3）

S₁^(K)＝A_K,1^(K)C₁+A_K,2^(K)C₂＋… ＋A_K,N^(K)C_N

其中，S₁⁽ⁱ⁾ 即为在信号S某个特定的参数下的传感器响应强度，A_i,j⁽ⁱ⁾与A_i,j一样，是关于溶液中各个组分浓度的非线性函数。同方程（2）一样，当A_i,j⁽ⁱ⁾确定为常数时，只要K≥N，方程可以通过矩阵运算求出溶液中每个组分的浓度。然后，再结合传感器阵列中传感器的数量，可列方程为：

S₁⁽¹⁾＝A_1,1⁽¹⁾C₁+A_1,2⁽¹⁾C₂＋… ＋A_1,N⁽¹⁾C_N

……

S₁^(K)＝A_K,1^(K)C₁+A_K,2^(K)C₂＋… ＋A_K,N^(K)C_N

S₂⁽¹⁾＝A_1,1⁽¹⁾C₁+A_1,2⁽¹⁾C₂＋… ＋A_1,N⁽¹⁾C_N

…     …                             (4)

S₂^(K)＝A_K,1^(K)C₁+A_K,2^(K)C₂＋… ＋A_K,N^(K)C_N

……

S_M^(K)＝A_K,1^(K)C₁+A_K,2^(K)C₂＋… ＋A_K,N^(K)C_N

        从方程组（4）可以发现，当A_i,j⁽ⁱ⁾确定为常数时，只要当M?K≥Ｎ时，电子舌系统就能求出每个组分的确切浓度。同时，从方程组（4）的求解条件可以发现，随着K的不断增加，在N不变的情况下，M可以相对地减小，这就为目前电子舌使用