mile米乐官方网站 生活空间气味监测

米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）无机功能材料研究部[研究部主任松原一郎]电子陶瓷组研究组组长增田义武和首席研究员伊藤敏夫在房间干扰气体也能识别特定气味。

目前，在与人类五种感官相关的传感技术中，与气味相关的传感技术，即气味传感技术，由于难以识别气味，在一般生活环境中的使用存在局限性。然而，在与住房、汽车和其他交通系统相关的行业中，需要结合通风选择性地识别源自日常生活的难闻气味的技术，并且需要先进的气味识别技术。通常，在房屋或汽车等多人共用的封闭空间中，会共存想要测量的气味以外的气体（干扰气体）。另外，通用半导体传感器在潮湿环境中的识别能力会下降，因此在存在多种干扰气体的密闭空间中很难识别所需的气味。

这次开发传感器阵列迄今为止已由 AIST 开发批量响应传感器和通用半导体传感器。通过添加理论上受湿度影响较小的体响应传感器，以前难以识别高湿度下气味的能力得到了显着提高。这是一种基于传感器阵列信号的机器学习主成分分析 (PCA)进行分析，我们能够识别潮湿环境中的多种气味。作为一种不依赖于空间环境即可识别气味的技术，有望为提高封闭空间的舒适度做出贡献。

该技术的详细信息将于 2019 年 1 月 30 日至 2 月 1 日在东京国际展示场（东京江东区）举行纳米技术2019年在第十八届国际纳米技术展览和技术会议上发表。

使用新开发的技术测量呼出气和室内空气，并利用机器学习识别气味

近年来，作为家庭、汽车、火车和公共汽车等封闭空间的环境改善措施，越来越需要有选择性地识别日常生活中产生的难闻气味并将其与通风联系起来的技术，并且气味识别技术的发展令人期待。然而，许多人共享的典型封闭空间湿度很高，因此很难使用对高湿度敏感的传统半导体传感器来识别特定气味。因此，需要开发不易受湿度影响的传感器和数据分析技术。另外，气相色谱质谱法 (GC/MS)的分析方法与集中器一起，不受湿度影响，但设备不便携，测量时间长，无法实时测量。因此，需要开发一种小型便携式传感器，可以在任何位置（例如家中或汽车中）实时识别气味。

在 AIST，低浓度挥发性有机化合物 (VOC)等气体传感器材料的原型装置，目前已将呼吸气味测量装置投入实际使用。我们还在开发使用 PCA（一种机器学习）的气体分析技术。

这次，为了打造一款能够识别气味的便携式气体测量设备，我们致力于开发一种即使在高湿度下也能进行测量的气味识别传感器。

AIST 开发的体响应传感器采用的测量方法可以根据电阻值确定气体浓度，类似于一般的半导体传感器。与半导体传感器相比，它们可以检测较少类型的气体，但不易受大气湿度的影响。另一方面，一般的半导体传感器可以检测多种气体，尽管它们的辨别能力在高湿度下会降低。组合多个具有不同特性的传感器可以提高识别性能。

这次，我们创建了一种传感器阵列，结合了两种具有不同氧化物纳米结构和表面催化特性的体响应传感器以及六种通用半导体传感器。为了演示在传感器阵列中添加两种类型的体响应传感器的效果，我们在室温（约 20 °C）下将传感器安装在气体传感器样品室（约 1 L）中。据报告为人类产生的气体的 4 种气体将作为恶臭气体的气体与相对湿度为60%的高湿合成空气混合，并将混合物以500 mL/min的流速流入气体传感器样品室。此外，我们将房间中存在的气体类型再现为干扰气体。31种气体好坏参半。 31种气体浓度为0μg/m³，300微克/立方米³, 600 微克/立方米³，由厚生劳动省决定室内VOC总浓度临时目标值的两倍多³进行测量使用传感器阵列不断进行测量，并将恶臭气体浓度稳定且传感器信号几乎恒定时获得的数据用于使用 PCA 进行分析（图 1）。

图 1 从安装在气体传感器样品室中的传感器阵列获得的传感器信号的 PCA 示例 (室温约20℃，相对湿度60%) （左）仅使用通用半导体传感器进行分析 （右）使用结合体响应传感器和通用半导体传感器的传感器阵列进行分析 0、300、600、900 微克/立方米331种气体（干扰气体）的情况下获得的数据显示为重叠的。此外，通过PCA获得的主成分1通常指示总的传感器响应值，而主成分3通常指示气体类型。

将通过PCA获得的主成分1和主成分3绘制出来后，四种人类气味气体中的三种与由六种普通半导体传感器组成的传感器阵列重叠，无法区分气味（图1左）。另一方面，在包含两种具有不同氧化物纳米结构和表面催化特性的体响应传感器的传感器阵列中，由于添加了不受湿度影响的信息，辨别能力得到了提高，并且可以识别所有四种类型（图1，右）。

假设将其安装在便携式恶臭气体测量装置中，我们创建了一种体响应传感器，其驱动温度可以通过调整小型基板内的电极位置来调整，并通过将其与通用半导体传感器组合来开发小型陶瓷传感器阵列元件（图2）。由于该传感器阵列元件是便携式的，因此可以在任何地点和时间实时进行气味监测。

图2配备体响应型传感器的小型陶瓷传感器阵列元件 配备两种批量响应型传感器和两种通用半导体型传感器。与配备有四种半导体传感器的元件一起使用。

新开发的小型陶瓷传感器阵列元件除了可以识别实验中识别出的四种人体产生的气味气体之外，还可以识别包括体味在内的难闻气味，并且还可以识别浓度。未来，这项技术有可能与通风结合起来开发，以选择性地消除难闻的气味。

未来，我们将开发一种配备所开发的小型陶瓷传感器阵列元件的便携式测量仪器。通过获取更接近真实环境的数据并与机器学习相结合，我们将开发真实空间的室内空气质量测量技术，目标是在2022年左右将其商业化。此外，这次开发的技术不仅可以应用于环境测量，还可以通过测量呼出气体中的气体来监测健康状况，我们还将考虑其在健康监测（医疗保健）领域的适用性。

◆干扰气体

在家庭和汽车等空间中，除您想要测量的气味之外的气体类型共存。当用气体传感器测量难闻的气味等时，它会受到始终存在的气体种类的影响，因此这里将其称为干扰气体。[返回来源]

◆通用半导体传感器

在半导体传感器中，空气中的氧气被吸附在构成气体传感器厚膜的细颗粒表面上，并捕获载流子电子，从而增加了颗粒之间（晶界）的电阻，因此气体传感器元件的电阻通常会增加。当气味分子到达气体传感器厚膜时，它们被氧化，同时消耗吸附的氧气，从而降低气体传感器元件的电阻。当臭味浓度降低时，空气中的氧气再次被吸附，电阻值恢复。这种现象被用作气体传感器。根据传感器所用的材料，可以获得独特的传感器信号，使其适合与下述主成分分析 (PCA) 相结合。但问题是，空气中的湿度也会吸附到颗粒表面，影响吸附的氧气量，导致识别性能下降。[返回来源]

◆传感器阵列

多个传感器的集合以及排列多个传感器的元素。它在使用 PCA 等分析多个传感器信号时非常有用，并且人们对结合传感器阵列和数据分析的气味识别技术的期望不断提高。[返回来源]

◆批量响应传感器

虽然是半导体型传感器的一种，但其响应机制与一般半导体型气体传感器不同，其原理是材料晶格中的氧原子被恶臭气体分子的氧化所消耗，产生氧空位，降低电阻值。与一般半导体传感器的氧气吸附/解吸机制不同，它受湿度的影响较小。目前，材料种类有限，因此在使用PCA时，最好将其与通用半导体气体传感器结合使用。[返回参考源]

◆主成分分析（PCA）

机器学习中包含的多元分析方法之一。英文符号主成分分析写成 PCA。如何将众多定量解释变量总结为更少的指标。对于气体传感器，可以获取每个传感器的信号（例如电阻值），但即使查看多个信号也很难识别气味。它是一种分析方法，合理地压缩从n个传感器（气体传感器的情况下，大约2至3种）获得的信号数据，以便可以轻松识别它们。[返回来源]

◆气相色谱质谱法(GC/MS)

一种气体种类分析方法。当气体通过对气体分子具有吸附性能的柱时，吸附性能根据气体类型而不同，因此通过柱的时间存在差异，并且气体类型被分离。通过分析分离气体的质量来鉴定目标化合物的分析方法。 [返回来源]

◆挥发性有机化合物（VOC）

常温下易挥发的有机化合物的总称，英文书写挥发性有机化合物。大多数气味都是挥发性有机化合物的一种。[返回来源]

◆据报告为人类产生的气体的 4 种气体

在这项研究中，我们提到了四种酮：壬醛、乙偶姻和癸烷。据报道，前者大量存在于糖尿病患者的呼出气中，后者则存在于肺癌患者的呼出气中。[返回来源]

◆31种气体

厚生劳动省和欧盟委员会环境研究联合中心从居民健康的角度列出的关于病态建筑综合症的化合物中，这种气体是31种碳原子数为6或以上的化合物的混合物，属于总挥发性有机化合物的定义，可以填充到气瓶中。 ISO 16000-29“室内空气 - 第 29 部分：VOC 探测器的测试方法”附件到模拟VOC混合气体[返回来源]

◆室内VOC总浓度临时目标值

据说即使终生呼吸对人体也没有影响的所有VOC的总浓度为400微克/立方米³
对于甲醛和甲苯等已被确认有害的物质，已分别制定了类似的浓度指导值。尽管在建筑材料等的制造过程中正在避免使用已制定准则值的气体，并且正在使用替代品，但由于担心替代品的毒性，因此从涵盖总VOC浓度的角度设定了临时目标值。[返回来源]