文章荐读|电子鼻在检测水源水中不同嗅味物质方面的应用

文章采用便携式电子鼻PEN3（德国Airsense 公司）对水源中不同嗅味物质进行检测。

检测仪器

德国AIRSENSE公司PEN3型电子鼻 ，主要由取样操作器、气体传感器阵列和信号处理系统组成。其中，传感器阵列由10个不同的金属氧化物传感器组成。仪器具有K-NN（欧氏距离、马氏距离）、DFA判别函数分析、PCA主成分分析、LDA线性判别分析、PLS偏小二乘法流行算法。

研究目的

（1）详细区分传感器对不同浓度嗅味物质的响应，并进行主成分分析（PCA）和线性判别分析（LDA）；（2）通过电子鼻检测研究对不同密度的铜绿微囊藻产生的挥发性嗅味物质的分析；（3）探究电子鼻的区分程度以及相应的传感器响应强度，为水中嗅味物质的快速、稳定检测提供可靠数据。

分析过程

从图 1（a）、（b）、（c）和（d）的主成分分析结果可以看出，前两个主成分约占总方差的 99.00%，其中第一主成分（PC1，x 轴）占比超过 85.00%，这表明它能够分别代表 2 - 甲基异冰片、土臭素、β- 环柠檬醛和 β- 紫罗兰酮的所有样本。沿着第一主成分（PC1）方向，2 - 甲基异冰片、土臭素、β- 环柠檬醛和 β- 紫罗兰酮的嗅味响应值分布呈现出特定趋势，且随着浓度升高，第一主成分（PC1）的值也随之增加。此外，样本的挥发性成分没有重叠，这表明电子鼻通过主成分分析有足够的分辨能力来区分 2 - 甲基异冰片、土臭素、β- 环柠檬醛和 β- 紫罗兰酮的不同浓度。每个浓度使用三个样本，这表明传感器响应具有较高的可重复性。

图 1（e）、（f）、（g）和（h）展示了纯水中 2 - 甲基异冰片、土臭素、β- 环柠檬醛和 β- 紫罗兰酮的线性判别分析（LDA）结果。样本之间相隔一定距离，两个样本之间的距离越大，差异就越明显。2 - 甲基异冰片、土臭素、β- 环柠檬醛和 β- 紫罗兰酮的第一线性判别因子（LD1，x 轴）和第二线性判别因子（LD2，y 轴）占总方差的比例超过 99.00%。图 1（e）显示，在 0 到 40 纳克 / 升的浓度范围内可以区分 2 - 甲基异冰片，浓度在 40 至 85 纳克 / 升的样本与浓度在 5 至 20 纳克 / 升的样本可以区分开来，但浓度在 40 至 85 纳克 / 升的样本之间不能清晰区分，2 - 甲基异冰片的嗅觉阈值浓度为 8.5 纳克 / 升。从图 1（f）可以看出，低浓度（8 至 16 纳克 / 升）和高浓度的土臭素能清晰区分开来。

在图 3（d）中，响应值随着浓度增加而上升。九种物质在传感器 R2、R6 和 R8 上表现出较高的响应值。R8 对样本的气味给出了更强且不同的响应，其主要敏感结构是醇类、醛类和酮类（表 2）。苯甲醛含有醛基，具有最大的嗅觉阈值、较大的浓度梯度和较高的贡献率。

利用电子鼻对铜绿微囊藻在 BG11 培养基中不同浓度下的气味进行了分析，结果如图 6（a）所示。前两个主成分约占总方差的 99.17%，其中第一主成分（PC1，x 轴）占比超过 85.00%，这表明它能够代表各个密度下的所有样本。沿着第一主成分（PC1）方向，铜绿微囊藻的气味响应值随着藻细胞密度的增加而升高。此外，细胞密度在 1.08×10⁷个细胞 / 毫升至 5.53×10⁷个细胞 / 毫升之间时，其挥发性成分没有重叠，这说明电子鼻具有足够的分辨能力来区分高密度（如超过 10⁷个细胞 / 毫升）下的气味。

在图 6（b）中，各个密度下的第一线性判别因子（LD1，x 轴）和第二线性判别因子（LD2，y 轴）占总方差的比例超过 97.86%。细胞密度在 1.08×10⁷个细胞 / 毫升至 5.53×10⁷个细胞 / 毫升之间时没有重叠，而在 3.05×10⁶个细胞 / 毫升至 1.08×10⁷个细胞 / 毫升之间的密度存在重叠，这意味着最低密度和高密度下的气味能够很好地区分开来，并且在对数生长期初期，这些气味相对相似。处于滞后期的低密度铜绿微囊藻需要适应 BG11 培养基的新环境，所以其气味能够与其他密度下的气味区分开来。对数生长期初期藻类的生长速率比对数生长期后期的生长速率慢，并且细胞密度在 3.05×10⁶个细胞 / 毫升至 1.08×10⁷个细胞 / 毫升之间时的气味可能相似。

结论

便携式电子鼻 PEN3 被用于检测地表水中的典型嗅味物质，包括 2 - 甲基异冰片（2-MIB）、土臭素（GSM）、β- 环柠檬醛、β- 紫罗兰酮、另外九种嗅味（T&O）化合物以及铜绿微囊藻产生的嗅味物质。在 0 到 85 纳克 / 升的浓度范围内，能够区分 2 - 甲基异冰片和土臭素，并且电子鼻可以识别出在纯水和地表水中不同浓度嗅味物质的响应特征。通过主成分分析（PCA）和线性判别分析（LDA）方法，能够有效识别出浓度为嗅阈值 1 至 3 倍的这些嗅味物质。起识别作用的传感器是 R8 和 R6，它们的主要敏感结构为醇类、醛类以及甲基基团。对于铜绿微囊藻，细胞密度在 1.08×10⁷个细胞 / 毫升至 5.53×10⁷个细胞 / 毫升之间时，其挥发性成分没有重叠，并且电子鼻在高细胞密度下有足够的分辨能力来区分气味。传感器 R10 的响应值与藻类密度呈现出显著的相关性，这与脂肪烃及其他嗅味化合物有关。电子鼻可应用于监测水源水中的嗅味（T&O）化合物，预防产生不良嗅味物质和异味。由于水源水中存在大量的嗅味物质和产嗅藻类，因此还需要进行更多的研究。未来的工作也可以集中在建立水源水中嗅味化合物的指纹图谱方面。

文章来源：国家环境保护食物链污染控制重点实验室《Electronic nose application for detecting different odorants in source water: Possibility and scenario》