Российская компания «Велиус-Про» совместно с Лабораторией двумерных материалов для устройств микроэлектроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург) разработала уникальное устройство – экспресс-анализатор «электронный нос» с мультисенсорным детектором на основе производных графена. Этот прибор предназначен для автоматизации процесса распознавания запахов и потенциально сможет найти применение в медицине, экологии, нефтегазовой промышленности, пищевых технологиях и других отраслях. Мы узнали у создателей «электронного носа» о том, как он работает и чем он лучше зарубежных аналогов.
Зачем понадобился «электронный нос»
Технологии анализа запахов применяются в медицине и пищевой промышленности. Например, запах может сигнализировать о симптомах болезни или о том, что пищевые продукты испорчены. Автоматизированный анализ запахов стал еще более актуальным после пандемии COVID-19, в результате которой у многих людей снизилась обонятельная способность. В частности «электронный нос» способен помочь в диагностике сахарного диабета, отклонений в функционировании легких, желудка и т. д. Кроме того, такой прибор может зафиксировать и инструментальным образом доказать наличие неприятных запахов в жилом или промышленном помещении, дав таким образом основание для применения тех или иных норм закона.
Носителями запаха являются газы. В промышленности для их идентификации традиционно применяют газоанализаторы — высокоточные приборы, определяющие концентрацию содержащихся в воздухе газов. Однако проблема заключается в том, что запах — это не сама объективная характеристика газа, а реакция на него обонятельных рецепторов в носу. Поэтому в режиме реального времени эффективно распознавать запахи с помощью большинства газоанализаторов становится сложно.
Принцип работы экспресс-анализатора с мультисенсорным детектором на основе производных графена схож с естественными механизмами распознавания запахов человеком. Модификации графена благодаря своим физико-химическим свойствам формируют хеморезистивный отклик на молекулы газа. Прибор при помощи ИИ-технологий анализирует этот отклик, сравнивая его со своей базой данных.
На сегодняшний момент «электронный нос» прошел рабочие испытания и готов к широкому использованию. Изобретатели продолжают пополнять базу запахов, отрабатывают методики и приложения для пилотных отраслевых задач, а также пишут стандарты оценки запахов с использованием своего прибора.
Рассмотрим принцип работы и возможности устройства подробнее.
Как «электронный нос» фиксирует запахи
Мультисенсорный детектор «электронного носа» состоит из различных модификаций графена — двумерного материала из атомов углерода. Поверхностный слой этих модификаций при взаимодействии с аналитом-носителем запаха вырабатывает электрический сигнал — хеморезистивный отклик. В зависимости от той зоны поверхности детектора, где это произошло, фиксируется характерное изменение сопротивления в слое и, таким образом, создается регистрирующий отпечаток запаха конкретного соединения.
«Если сравнивать с человеческой обонятельной системой, то в качестве рецепторов выступает наше графеновое покрытие, дальше в человеческом носу информация передается на обонятельные луковицы, а в нашем случае — сигнал передается на плату управления, на которой как раз размещен чувствительный элемент. Она обрабатывает сигнал и передает его либо на компьютер, либо на специальные микросхемы, контроллеры, где идет сравнение с базой запахов», — рассказывают изобретатели «электронного носа».
Детектор реагирует на разные виды веществ, которые взаимодействуют с его поверхностью: это может быть летучее органическое соединение, испарения от жидкости или вновь появившиеся запахи, которые отклоняются от стандартного состояния воздуха. Благодаря этому «электронный нос» можно использовать как в качестве анализатора, так и роли сигнализатора, который просто регистрирует состояние «да/нет».
Может ли «электронный нос» распознавать сложные запахи
Разработчики признают, что на сегодняшний момент система в первую очередь ориентирована на сильные «грубые» запахи — в тех порогах концентрации, которые находятся на границе предельно допустимых норм.
Основная задача «электронного носа» — это определить запах конкретных веществ, которые входят в категорию «дурно пахнущие». Это могут быть оксиды, серосодержащие соединения, меркаптаны (тиолы), соединения СО, пропан, бутан. Также речь идет о летучих спиртовых соединениях, аммиаке, формальдегиде и ацетоне. Все перечисленные газы прибор распознает на фоне воздуха.
По данным создателей «электронного носа», наибольшую трудность на сегодняшний момент составляет определение спиртовых соединений, поскольку на их определение серьезно влияет содержание паров воды. Проще говоря, высокая влажность воздуха снижает чувствительность прибора. Чтобы ее повысить, изобретатели работают над определением не только хеморезистивного отклика, но и использованием емкостных электрофизических характеристик для более точного определения спиртов.
«Также нам необходимо поработать над сушением проб без потери запаха. Для этого у нас есть мембранные системы, системы осушения, которые тоже находятся в разработке», — отмечают исследователи.
Технические характеристики «электронного носа»
Селективность (dE): >1500 отн. ед. против 20–100 отн. ед. у зарубежных аналогов.
Время измерения: 5–10 с против 10–60 сек. у зарубежных аналогов.
Энергопотребление — 0,1–20 Вт против 30–40 Вт у зарубежных аналогов. Это позволяет изготавливать портативные системы с долгим временем эксплуатации. Низкое энергопотребление обусловлено рабочей температурой измерительных ячеек прибора до 40 градусов Цельсия за счет свойств применяемых графеновых модификаций.
Также среди технических качеств устройства можно отметить количество измерительных ячеек — один мультисенсор на список запахов позволяет обеспечить снижение стоимости прибора по сравнению с аналогами.
Чем «электронный нос» лучше аналогов
«Электронный нос» в первую очередь определяет отличия — то есть запах, который появился вновь. По словам разработчиков, ни один газоанализатор такую задачу решать не может, если он предварительно не отградуирован для определения конкретного запаха. Почти все аналоги «электронного носа», представленные на рынке, созданы на базе различных детекторов, каждый из которых может регистрировать конкретный газ. Новое российское изобретение, в отличие от классических газоанализаторов, обучается на умении выделять соответствующий характерный запах на фоне базового уровня сигнала.
«Поэтому если в воздухе базовый уровень содержит смесь, и в его содержании есть в том числе целевой газ, по которому мы проводим обучение, то мы строим градуировочные кривые в зависимости от концентрации, делаем просто добавки целевого газа, и наша система обучается понимать, какие изменения произошли, какой еще новый запах добавился», — рассказывают создатели прибора.
«Электронный нос» VS настоящий нос
Человеческий нос ориентирован прежде всего на типичные раздражающие вещества, большая часть из которых в том или ином виде содержит сероводород. В этом контексте «электронный нос» может решать множество задач своего природного прообраза, выступая как в роли сигнализатора, так и анализатора сероводорода. Аналогичная история с аммиаком и формальдегидом.
«Безусловно, возможности человеческого носа сейчас превосходят возможности носа электронного, просто потому что база знакомых запахов у человека достаточно объемная. Но со временем расширение этой статистики позволит улучшить распознавание среди сложных газовых смесей. Следует понимать, что на самом деле типовая задача определения каких-то утечек конкретных запахов или измерения одорирования, экологического мониторинга — для электронного носа куда более важна, чем, на наш взгляд, какая-то парфюмерная задача, где множество сложных запахов. Одним словом, чем сложнее система, которую надо распознавать, тем менее вероятно, что такая задача имеет масштабное распространение», — резюмируют создатели «электронного носа».
Обложка – downloaded from Freepik.