Airsense电子鼻文献 | 电子鼻检测蜂箱甲酸浓度的可行性验证实验

电子鼻检测蜂箱甲酸浓度的可行性验证实验
瓦螨是西方蜜蜂最主要寄生虫，不防治会导致蜂群 2–3 年内覆灭；甲酸（FA）是养蜂业主流除螨药剂，可穿透蜂蛹封盖杀灭各阶段瓦螨，不易产生螨类耐药性、蜂产品残留风险低。
但甲酸治疗安全区间极窄，除螨效果与蜂群损伤受温湿度、蜂群规模、甲酸浓度、蜂箱结构等多重环境因素影响；现有手段无法实时监测蜂箱内甲酸实际浓度，且箱内甲酸浓度远高于职业安全限值（MAK 值 9.5 mg/m³），常规检测设备量程不足。
本研究以Airsense电子鼻（金属氧化物气体传感器阵列）为基础，验证其能否检测蜂箱高浓度甲酸，最终目标开发可用于养蜂实操与科研的低成本甲酸实时监测设备。

实验仪器

采用 Airsense电子鼻，有10种传感器，均为金属氧化物半导体传感器，每种传感器所对应的主要敏感物质有所不同。

两套测试体系

01、PMMA 标准密闭测试箱
（可控模拟环境）

1.9L 有机玻璃腔体，通入加湿合成空气，设置 25℃/35℃两种温度、多档气体流速；放置 0%–100% 梯度甲酸水溶液挥发产生甲酸蒸气，每组浓度重复 3 次检测，用于验证电子鼻能否区分不同甲酸浓度。

02、双层实养 Segeberger 聚苯乙烯蜂箱（贴近真实养蜂场景）

箱体每层放置 8 张蜜脾，使用甲酸蒸发器施加 60% 甲酸；箱体开设 4 个采样点（上层 3 处、下层 1 处），分别在 1/2/3/4/24h 采样，模拟甲酸熏蒸全过程，在通风橱内开展避免污染。

理论浓度推算

基于连续反应器物料平衡微分方程，计算蜂箱内甲酸平衡浓度：
蒸发器每日甲酸挥发速率约 11.1 g/d；
蜂箱自由容积 35.2 L；
换气速率 0.5–5 h⁻¹ 时，箱内甲酸平衡浓度区间2620–26200 mg/m³，远超职业安全阈值 9.5 mg/m³；
甲酸熏蒸 12 天内浓度维持稳定，停药后快速下降。

核心实验结果

01、传感器响应规律

两套实验体系均证明：1、6、7、8、9 号传感器对甲酸敏感度显著提升，6、8、9 号信号幅值最大；甲酸水溶液浓度越高、熏蒸时间越久，传感器 R/R₀比值越高，信号与甲酸浓度呈明显正相关。

02、多元统计区分效果

采用主成分分析 PCA、线性判别分析 LDA 处理传感器稳态信号：
PCA 第一主成分 PC1 可解释 99.3% 数据差异，与甲酸浓度高度绑定；
LDA 第一判别轴 LD1 解释 94.2% 方差，可清晰分离 0%–100% 全部甲酸梯度样本，不同浓度甲酸图谱无重叠。

03、结论

Airsense电子鼻可识别蜂箱熏蒸场景下高浓度甲酸蒸气，为研发蜂箱甲酸快速监测设备提供理论与试验依据，既能支撑蜜蜂病虫害防控相关科研，也能帮助养蜂人实时把控熏蒸浓度，兼顾除螨效果与蜂群安全。