Электронные носы сочетают в себе массивы химических датчиков с методами распознавания образов для распознавания запахов.
Авторы и права: Ху В., Ван Л., Цзянь Ю., Рен К., Джин К., Су Х., Бай Х., Хейк Х., Яо М., Ву В. ., Передовые технологии материалов. 2019, 4, 1800488. 10.1002/адмт.201800488

Летучие органические соединения (ЛОС) — это химические вещества, выделяемые в виде газов, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на здоровье. Они часто встречаются в красках, фармацевтических препаратах и хладагентах среди других распространенных продуктов, но они также могут выступать в качестве маркеров взрывчатых веществ, заражения насекомыми, порчи пищевых продуктов и болезней.

Отслеживание летучих органических соединений важно для общественной безопасности и решения всех проблем, связанных с «запахом». С этой целью Лю и его коллеги представили конструкцию камеры на основе гидромеханики для электронного носа (e-nose), который постоянно обнаруживает летучие органические соединения в низких концентрациях. Стратегия, которая включает в себя использование устройства, похожего на шунт, для управления поведением потока жидкости, является шагом вперед в развитии технологии электронного носа. Их статья «Управление поведением жидкости для сверхчувствительного определения летучих веществ» была опубликована в Applied Physics Reviews 23 мая 2023 года.

Методы обнаружения летучих органических соединений сталкиваются со многими проблемами с точки зрения селективности, чувствительности, воспроизводимости и стабильности. Электронные носы, вдохновленные обонятельной системой, могут преодолевать некоторые из этих барьеров, комбинируя массивы химических сенсоров с методами распознавания образов для распознавания запахов.

Однако многие электронные носы генерируют разные сигналы в отношении летучих органических соединений одинаковой концентрации, когда датчик расположен в разных частях «носовой» камеры.

«Чтобы противодействовать этой проблеме, необходимо хорошо контролировать жидкостное поведение газового потока», — сказал автор Weiwei Wu. «Это обеспечивает однородное жидкостное поле и концентрацию летучих органических соединений в камере и позволяет избежать создания каких-либо ложных характеристик обнаружения».

В начальной конструкции электронного носа была вертикальная камера, очень похожая на насадку для душа. Это способствует вертикальному потоку, поскольку газ распространяется через отверстия в нижней части устройства и вокруг к равномерно распределенным датчикам.

Используя моделирование механики жидкости, команда оптимизировала объем, симметрию, расположение отверстий и расположение датчиков в камере электронного носа. Они добавили устройство, похожее на шунт, для улучшения потока жидкости и сокращения времени отклика.

Основываясь на результатах моделирования, исследователи изготовили тефлоновую камеру и измерили сенсорные характеристики своего электронного носа. Они сравнили две камеры, одну с шунтом и одну без. Камера с шунтирующим устройством постоянно работала примерно в 1,3 раза лучше при обнаружении примера ЛОС.

В будущем авторы планируют сосредоточиться на минимизации камеры и дальнейшем улучшении структуры, чтобы уменьшить время отклика и восстановления.

«Исследования электронного носа — очень междисциплинарная область», — сказал Ву. «Химикам, физикам, биологам, инженерам-электронщикам и специалистам по обработке и анализу данных необходимо работать вместе, чтобы решать такие вопросы, как эффективное зондирование, учитывающее фундаментальные механизмы поглощения/десорбции, алгоритмы, обеспечивающие точное распознавание летучих органических соединений быстрее и с меньшим потреблением энергии, а также то, как должны быть задействованы новые технологии, такие как мемристоры».