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“通用”电子鼻的实现任重道远

2020-10-12 Bill Schweber 阅读:
在对味道和气味进行检测和分类时,我们仍面临极大的挑战,因为味道和气味是基于化学而不是物理原理。研究人员孜孜以求坚持不懈地研发电子鼻,因为用于气味或味道检测的通用传感器非常有用。

很大一部分模拟电子产品都与现实世界的传感器及信号处理密切相关,例如,我们拥有能够完美捕获并解码声音、光、图像、压力、运动、热量和温度的传感器及计算系统。但是,在对味道和气味进行检测和分类时,我们仍面临极大的挑战,因为味道和气味是基于化学而不是物理原理。研究人员孜孜以求坚持不懈地研发电子鼻,因为用于气味或味道检测的通用传感器非常有用。IQfednc

气相色谱法或液相色谱法是目前用来确定未知气味或味道最成功的方法,这种方法需要费心准备,比较起来,倒不如把东西拿起来闻一闻或者尝一尝,然后说“嗯……闻起来/尝起来……”要快得多也简单得多。色谱法肯定比鼻子灵敏很多,而且可以分辨出更多的成分,但我们还是需要一种简单的传感器,能够直接检测出味道或气味。IQfednc

但是,到目前为止,研究人员的主要精力都放在检测一种或一类密切相关的化合物上。与生物鼻相比,这种电子传感器确实有其优势:更加灵敏,并且可提供定量结果。但是不要被误导了,尽管“电子鼻”被媒体大肆宣扬,事实上在捕获、判断和识别分子光谱时,电子鼻远不及生物鼻。IQfednc

例如,马萨诸塞大学(阿默斯特分校)的一个研究团队最近开发了生物电子氨气传感器(图1),他们认为这种传感器是有史以来最灵敏的传感器之一。氨气对农业、环境科学和生物医学都非常重要,但在高浓度时非常危险。在人体的代谢过程中通常也会产生氨气,在自然界的水、土壤、空气甚至微小的细菌分子中也有。因此,即使只用来检测氨气,有这样一个“鼻子”也不错。IQfednc

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图1:在这张充满艺术感的图片中,从地杆菌(背景)收集到的蛋白质纳米线(浅绿色)位于电极(金色)之间,形成生物电子传感器,可以检测生物分子(红色)。(图片来源:马萨诸塞州大学阿默斯特分校/姚实验室)IQfednc

该团队研发的传感器采用从硫还原地杆菌中提取的电荷传导蛋白质纳米线,为电子设备提供生物材料。从他们发表在Nano Research上的学术论文“Bioelectronic protein nanowire sensors for ammonia detection”可知,基于纳米线的传感器非常灵敏,能检测的氨气浓度范围很宽(10~106ppb)。IQfednc

这种细菌背后的故事也很有趣:三十多年前,资深论文作者及微生物学家Derek Lovley教授在河泥中发现了地杆菌。这些微生物长出的类似头发的蛋白质细丝可以充当纳米级“导线”,用于传输电荷以提供细菌所需的营养,并与其他细菌进行通讯。Derek Lovley教授指出,研究人员可以对这些蛋白质进行“调节”,使其对其他化学物也敏感,从而变得更通用。尽管可以调节,但它仍然是一个应用面较“窄”的传感器,对有些应用程序和系统目标而言很适合,对另一些则可能完全不适用。IQfednc

当然,也可以用一些非生物学方法来研发检测指定气味的电子鼻。其中一种技术使用基于250GHz射频的受激光谱(图2),其他技术则使用光谱的拉曼散射(光子的非弹性散射)来实现远距离检测。IQfednc

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图2:从旋转光谱仪原理图(使用Virginia Diodes公司的接收器)可以看出这种250GHz气体检测装置采用了复杂而先进的技术(图片来源:德克萨斯大学达拉斯分校)。IQfednc

然而,利用电子学、光学或生物电子学原理来实现能检测多种化学物质的通用气味传感器的目标仍然遥不可及。也许会有某种微通道,通道里面有多种反应物,它们之间会发生标记的电化学反应;也可能芯片上有一个色谱通道,输入端有一个样品加热器,输出端有一个流量传感器。也许有人能想出如何利用电化学方法模拟具有不同嗅觉敏感度、能检测多种不同气味的生物鼻。最有名的可能是猎犬(图3),不过人类也可以像许许多多不同的动物一样,闻到(并尝出)多种化学物质。能识别气味(和味道)既是天生的本领,也是通过后天的学习而做出的反应。IQfednc

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图3:猎犬吸入的空气分成两路:一路(红色)流入嗅觉区域,另一路(蓝色)穿过咽喉(黑色)到达肺部。(图片来源:PBS/Brent Craven) IQfednc

电子传感器和生物鼻各有长短,这丝毫也不奇怪:电子传感器可以提供极高的灵敏度和很大的动态范围,但由于它们的设计是针对某些特定的分子,因此只能检测有限的物质。与此相反,生物学传感器(无论是人类、猎犬还是昆虫)的灵敏度通常不是很高(尽管在某些情况下可能不错),但检测范围通常却很宽。虽然我们已经对“生物鼻”的工作原理有了一定程度的了解,但并没有完全弄清传感器与大脑之间的工作机制或相互作用。毕竟,有些动物的大脑很小,却很擅长发现食物并察觉环境的危险。IQfednc

你有没有开发过“气味”传感器?是用于一种特定的分子、一组物质、还是范围更广的一类物质?怎么开发出来的?遇到过哪些问题?IQfednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:“Wideband” still elusive in electronic noses,由Jenny Liao编译。)IQfednc

本文为《电子技术设计》2020年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里IQfednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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