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(zhì)進(jìn)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(gè)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(shù)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(xì)區(qū)分傳感器對不同濃度嗅味物質(zhì)的響應(yīng)，并進(jìn)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(chǎn)生的揮發(fā)性嗅味物質(zhì)的分析；（3）探究電子鼻的區(qū)分程度以及相應(yīng)的傳感器響應(yīng)強(qiáng)度，為水中嗅味物質(zhì)的快速、穩(wěn)定檢測提供可靠數(shù)據(jù)。

分析過程

從圖 1（a）、（b）、（c）和（d）的主成分分析結(jié)果可以看出，前兩個(gè)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(yīng)值分布呈現(xiàn)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(gè)濃度使用三個(gè)樣本，這表明傳感器響應(yīng)具有較高的可重復(fù)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(jié)果。樣本之間相隔一定距離，兩個(gè)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(nèi)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(yīng)值隨著濃度增加而上升。九種物質(zhì)在傳感器 R2、R6 和 R8 上表現(xiàn)出較高的響應(yīng)值。R8 對樣本的氣味給出了更強(qiáng)且不同的響應(yīng)，其主要敏感結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jìn)行了分析，結(jié)果如圖 6（a）所示。前兩個(gè)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(gè)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(yīng)值隨著藻細(xì)胞密度的增加而升高。此外，細(xì)胞密度在 1.08×10?個(gè)細(xì)胞 / 毫升至 5.53×10?個(gè)細(xì)胞 / 毫升之間時(shí)，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(gè)細(xì)胞 / 毫升）下的氣味。

在圖 6（b）中，各個(gè)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(xì)胞密度在 1.08×10?個(gè)細(xì)胞 / 毫升至 5.53×10?個(gè)細(xì)胞 / 毫升之間時(shí)沒有重疊，而在 3.05×10?個(gè)細(xì)胞 / 毫升至 1.08×10?個(gè)細(xì)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(shù)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(yīng) 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(shù)生長期初期藻類的生長速率比對數(shù)生長期后期的生長速率慢，并且細(xì)胞密度在 3.05×10?個(gè)細(xì)胞 / 毫升至 1.08×10?個(gè)細(xì)胞 / 毫升之間時(shí)的氣味可能相似。

結(jié)論

便攜式電子鼻 PEN3 被用于檢測地表水中的典型嗅味物質(zhì)，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(chǎn)生的嗅味物質(zhì)。在 0 到 85 納克 / 升的濃度范圍內(nèi)，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(zhì)的響應(yīng)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(zhì)。起識別作用的傳感器是 R8 和 R6，它們的主要敏感結(jié)構(gòu)為醇類、醛類以及甲基基團(tuán)。對于銅綠微囊藻，細(xì)胞密度在 1.08×10?個(gè)細(xì)胞 / 毫升至 5.53×10?個(gè)細(xì)胞 / 毫升之間時(shí)，其揮發(fā)性成分沒有重疊，并且電子鼻在高細(xì)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(yīng)值與藻類密度呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，這與脂肪烴及其他嗅味化合物有關(guān)。電子鼻可應(yīng)用于監(jiān)測水源水中的嗅味（T&O）化合物，預(yù)防產(chǎn)生不良嗅味物質(zhì)和異味。由于水源水中存在大量的嗅味物質(zhì)和產(chǎn)嗅藻類，因此還需要進(jìn)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(hù)食物鏈污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室《Electronic nose application for detecting different odorants in source water: Possibility and scenario》