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Multi-sensor array used as an “electronic tongue” for mineral water analysis ⽤于矿物质⽔检测的多传感器阵列 Sensors and Actuators B 116 (2006) 130–134 作者：L. Moreno, A. Merlos, N. Abramova, C. Jiménez, A. Bratov 摘译：北京⼤学化学与分⼦⼯程学院张隽晔 1300011732 摘要 作者将六种独⽴的离⼦选择场效应管(ISFETs)、铂叉指电极(IDS)、硅⼆极管组装成单⽚集成 阵列，⽤来检测13种不同品牌的矿物质⽔。使⽤谱系聚类分析(HCA)和主成分分析(PCA)进⾏数据 分析，经簇类独⽴软模式法(SIMCA)来构建分类模型，以100%的正确率通过样品判断⽔的品牌。 此法或可⽤于快速、经济的产品鉴定和品质分析。 ⼀、引⾔ 近年来尝试⽤化学传感器阵列来进⾏⽔、⾷物等产品的实时质量控制。通常将检测⽓ 体的器件称为“ 电⿐⼦”、检测液体的称为“ 电⾆头” 。 “ 电⾆头”的分析过程由传感器检测样品中各组分含量和数据处理两部分构成。通常的 “ 电⾆头” 由多个独⽴传感器构成，在溶液中同时测量数据。本篇⽂献作者则将它们集成在 ⼀个硅晶圆(BESOI)⽚上，它们是6个离⼦选择场效应管(ISFETs)、硅⼆极管和铂叉指电极 (IDS) 。ISFETs上分镀对不同离⼦敏感的⾼分⼦膜⽤来检测离⼦浓度、晶体管⽤做温度传 感器、IDS⽤于测定电导和氧化还原电位，后⽤谱系聚类分析(HCA)、主成分分析(PCA)、 簇类独⽴软模式法(SIMCA)这三种模式识别⽅法来将⽔样进⾏分类，最后⽤偏最⼩⼆乘 (PLS)来估计离⼦浓度。 ⼆、实验⽅法与结论 将ISFETs 、⼆极管和IDS集成在BESOI上涉及到通道⾦属氧化半导体(NMOS)和薄膜 技术，且需特殊⼯艺以保证各传感器间绝缘不致相互影响。制成阵列后封装、沉积离⼦选 择性的聚氨酯膜即完成整个器件的制作。 ⽂章作者选取了13种品牌的矿物质⽔进⾏检测，将它们按产品说明分为⾼矿物质含量 ⽔、⾼硬度⽔、低矿物质含量⽔和低氯化物与重碳酸盐⽔四类。 HCA分析结果⽰于图1。可以看出13种样品⼤致分为五组，分类的主要依据是其表观 离⼦总量和硬度。由此结果，若⽤此法进⾏产品鉴定，⾄少能将不同组的样品区分开。 PCA分析结果⽰于图2 。类似于上法，彼此特征相近的样品在图中距离相近。该图很 好地验证了事先关于⾼矿物质含量⽔(I)、⾼硬度⽔(II)、低矿物质含量⽔(III)和低氯化物与 重碳酸盐⽔(IV)的分类。另外从PCA建模能⼒数据可得知该法进⾏分类的最主要依据是电 导，最不主要的则是其还原电势。 SIMCA分析进⼀步给出区分⽔样归属的依据。先预先将13份样品分成13类，可看出 Na, Cl, K含量是⽔样间差异的三个最主要部分。进⼀步地，为检验模型的可靠程度，作者 same water sample may affect the classification the following 132 L. Moreno et al. / Sensors and Actuators B 116 (2006) 130–134 experiment was performed. Three “synthetic” data sets were pre- Table 1 pared by taking the mean value for each parameter and adding or Nominal values [17] of the 13 mineral waters analysed subtracting in a random way the value of the standard deviation TDS Na (mg/l) K (mg/l) Ca (mg/l) Cl (mg/l) pH de