電(diàn)子鼻嗅覺檢測系統比狗鼻子還(hái)要靈敏1000倍

電(diàn)子鼻嗅覺檢測系統比狗鼻子還(hái)要靈敏1000倍
發布日期：2017-03-20 浏覽次數(shù)：3713
電(diàn)子鼻是一種氣味指紋檢測方法，其檢測結果所顯示的圖譜又被稱為(wèi)氣味指紋圖譜，近十年來(lái)電(diàn)子鼻快速發展，電(diàn)子鼻主要利用氣味傳感器(qì)、數(shù)據處理(lǐ)設備和(hé)分析軟件組成的裝置，它以氣體(tǐ)為(wèi)分析對象，通(tōng)過模拟人(rén)的嗅覺系統對待檢氣味進行(xíng)捕捉和(hé)檢測，因此這種氣味指紋檢測裝置被形象地稱為(wèi)電(diàn)子鼻，這種氣味指紋檢測技(jì)術(shù)又被稱為(wèi)電(diàn)子鼻技(jì)術(shù)。該技(jì)術(shù)是利用氣體(tǐ)傳感器(qì)陣列的響應曲線來(lái)識别氣味的電(diàn)子系統。電(diàn)子鼻與普通(tōng)的化學儀器(qì)，如色譜儀、光譜儀等不同，不是被測樣品各種成分的定性和(hé)定量結果，而是樣品中揮發成分的整體(tǐ)信息。

朋友(yǒu)們都知道(dào)狗的嗅覺是一流的，正因為(wèi)它的驚人(rén)的嗅覺力，給了人(rén)們的啓示，為(wèi)研制(zhì)小(xiǎo)型、快速、靈敏的自動分析儀提供了原型。于是，科學家(jiā)模仿狗的鼻子，制(zhì)成了極靈敏的電(diàn)子鼻。電(diàn)子鼻是一種帶有(yǒu)微電(diàn)腦(nǎo)的電(diàn)化學傳感器(qì)，先進的電(diàn)子鼻是用成千萬上(shàng)個(gè)具有(yǒu)不同特性的電(diàn)化學傳感器(qì)組合起來(lái)制(zhì)成的。每個(gè)傳感器(qì)隻能聞到某一種特定氣味，于是，這種電(diàn)子鼻可(kě)以用來(lái)檢測各種染料、洛、樹(shù)脂、酸、氮、苯、瓦斯以及形形色色的水(shuǐ)果氣味等。換句話(huà)來(lái)說，什麽氣味它都能聞出來(lái)。電(diàn)子鼻的嗅覺比狗鼻子還(hái)要靈敏1000倍，現在已經用來(lái)代替警犬進行(xíng)偵察，隻要犯罪分子留下的氣味不超過兩天，電(diàn)子鼻就能辨别出來(lái)，幫助警察進行(xíng)跟蹤追擊。電(diàn)子鼻是利用氣體(tǐ)傳感器(qì)陣列的響應圖案來(lái)識别氣味的電(diàn)子系統，它可(kě)以在幾小(xiǎo)時(shí)、幾天甚至數(shù)月的時(shí)間(jiān)內(nèi)連續地、實時(shí)地監測特定位置的氣味狀況。電(diàn)子鼻有(yǒu)兩種：一種是氣相色譜原理(lǐ)的電(diàn)子鼻，一種是金屬氧化物半導體(tǐ)傳感器(qì)組合的電(diàn)子鼻，也是意義上(shàng)的電(diàn)子鼻，智鼻（電(diàn)子鼻）系統利用多(duō)個(gè)具有(yǒu)不同性質的金屬氧化物半導體(tǐ)傳感器(qì)組合成傳感器(qì)陣列，結合特定的智能自學習、自辨識模式識别算(suàn)法構建的一類智能嗅覺仿生(shēng)系統。它主要由三個(gè)結構部分組成：（1）傳感器(qì)陣列（2）氣體(tǐ)進樣及采樣裝置系統（3）智能模式識别軟件系統。

電(diàn)子鼻主要由氣味取樣操作(zuò)器(qì)、氣體(tǐ)傳感器(qì)陣列和(hé)信号處理(lǐ)系統三種功能器(qì)件組成。電(diàn)子鼻識别氣味的主要機理(lǐ)是在陣列中的每個(gè)傳感器(qì)對被測氣體(tǐ)都有(yǒu)不同的靈敏度，例如，一号氣體(tǐ)可(kě)在某個(gè)傳感器(qì)上(shàng)産生(shēng)高(gāo)響應，而對其他傳感器(qì)則是低(dī)響應，同樣，二号氣體(tǐ)産生(shēng)高(gāo)響應的傳感器(qì)對一号氣體(tǐ)則不敏感，歸根結底，整個(gè)傳感器(qì)陣列對不同氣體(tǐ)的響應圖案是不同的，正是這種區(qū)别，才使系統能根據傳感器(qì)的響應圖案來(lái)識别氣味。

電(diàn)子鼻的類型很(hěn)多(duō)，其典型的工作(zuò)程式是：首先，利用真空(kōng)泵把空(kōng)氣取樣吸取至裝有(yǒu)電(diàn)子傳感器(qì)陣列的小(xiǎo)容器(qì)室中。接着，取樣操作(zuò)單元把已初始化的傳感器(qì)陣列暴露到氣味體(tǐ)中，當揮發性化合物(VOC)與傳感器(qì)活性材料表面相接觸時(shí)，就産生(shēng)瞬時(shí)響應。這種響應被記錄并傳送到信号處理(lǐ)單元進行(xíng)分析，與數(shù)據庫中存儲的大(dà)量VOC圖案進行(xíng)比較、鑒别，以确定氣味類型。要用酒精蒸氣“沖洗”傳感器(qì)活性材料表面以去除測畢的氣味混合物。在進入下一輪新的測量之前，傳感器(qì)仍要再次實行(xíng)初始化(即工作(zuò)之間(jiān)，每個(gè)傳感器(qì)都需用幹燥氣或某些(xiē)其它參考氣體(tǐ)進行(xíng)清洗，以達到基準狀态)。被測氣味作(zuò)用的時(shí)間(jiān)稱為(wèi)傳感器(qì)陣列的“響應時(shí)間(jiān)”，清除過程和(hé)參考氣體(tǐ)作(zuò)用的初始化過程所花(huā)的時(shí)間(jiān)稱為(wèi)“恢複時(shí)間(jiān)”。

在電(diàn)子鼻系統中，氣體(tǐ)傳感器(qì)陣列是關鍵因素。除基本的氣相色譜(GC)分析法以外，電(diàn)子鼻傳感器(qì)的主要類型還(hái)有(yǒu)導電(diàn)型傳感器(qì)、壓電(diàn)類傳感器(qì)、場(chǎng)效應傳感器(qì)、光纖傳感器(qì)等。

導電(diàn)性傳感器(qì)的基本特點是，其置于揮發性化合物(VOC)時(shí)的響應形式是電(diàn)阻值發生(shēng)變化。導電(diàn)性傳感器(qì)又分為(wèi)金屬氧化物傳感器(qì)和(hé)聚合物傳感器(qì)兩大(dà)類。金屬氧化物傳感器(qì)在電(diàn)子鼻系統中應用更廣泛，其結構如圖1所示。此類傳感器(qì)中與VOC相接觸的活性材料是錫、鋅、钛、鎢或銥的氧化物，襯底材料一般是矽、玻璃、塑料，發生(shēng)接觸反應需滿足200～400℃的溫度條件，因此在底部設置了加熱器(qì)。氧化物材料中用鉑、钯等貴重金屬攙雜形成兩條金屬接觸電(diàn)極。與VOC的相互作(zuò)用改變了活性材料的導電(diàn)性，使兩電(diàn)極之間(jiān)的電(diàn)阻發生(shēng)變化，這種電(diàn)阻變化可(kě)用單臂電(diàn)橋或其它電(diàn)路來(lái)測量。事實上(shàng)，一個(gè)傳感器(qì)的活性材料總是設計(jì)得(de)對某些(xiē)特定氣味響應最靈敏。

該傳感器(qì)的靈敏度範圍為(wèi)5～50ppm。金屬氧化物傳感器(qì)的缺點是：(1)工作(zuò)溫度較高(gāo)；(2)經長時(shí)間(jiān)工作(zuò)之後，響應基準值易發生(shēng)漂移，需要利用信号處理(lǐ)運算(suàn)來(lái)克服；(3)對氣體(tǐ)混合物中出現的硫化物呈“中毒”反應。但(dàn)是，它有(yǒu)很(hěn)寬的适用範圍和(hé)相對低(dī)的成本，故依然成為(wèi)當今廣泛應用的氣體(tǐ)傳感器(qì)。

導電(diàn)聚合物傳感器(qì)中，與VOC接觸的活性材料一般是用噻吩、吲哚、呋喃等成分構成的導電(diàn)聚合物，當氣體(tǐ)分子與上(shàng)述聚合物材料接觸時(shí)會(huì)發生(shēng)電(diàn)離或共價作(zuò)用，這種相互作(zuò)用影(yǐng)響了電(diàn)子沿聚合物鏈的傳輸，即改變了導電(diàn)性。在聚合物材料中，利用顯微組構技(jì)術(shù)形成兩條間(jiān)隔10～20μm的電(diàn)極，通(tōng)過在兩電(diàn)極之間(jiān)施加交變電(diàn)壓來(lái)使聚合物電(diàn)聚合化，改變電(diàn)壓掃描速率，并應用一系列聚合物前體(tǐ)就可(kě)産生(shēng)各種各樣的活性材料，使不同的材料分别對不同的氣體(tǐ)呈特定響應。導電(diàn)聚合物傳感器(qì)在一般環境溫度下工作(zuò)而無需加熱，因此更容易制(zhì)造，其電(diàn)子界面更為(wèi)直接，從而在便攜式儀器(qì)應用中有(yǒu)更大(dà)優勢。這種傳感器(qì)探測氣味的靈敏度可(kě)達到0.1ppm，比金屬氧化物傳感器(qì)更高(gāo)，但(dàn)一般在10～100ppm範圍之內(nèi)。目前導電(diàn)聚合物傳感器(qì)的主要缺陷是：(1)活性材料電(diàn)聚合過程較為(wèi)困難和(hé)費時(shí)；(2)與VOC接觸響應存在随時(shí)間(jiān)發生(shēng)飄移的現象；(3)對濕度極為(wèi)敏感，這種敏感性易掩蓋和(hé)幹擾對VOC的正常響應。另外，某些(xiē)氣體(tǐ)會(huì)穿透聚合物材料整體(tǐ)，從而減慢了将VOC從聚合物中去除的過程，即延緩了傳感器(qì)的恢複時(shí)間(jiān)。壓電(diàn)類傳感器(qì)的基本特點是，與VOC的接觸響應形式體(tǐ)現為(wèi)頻率的變化。它又分為(wèi)石英晶體(tǐ)微量天平(QCM)傳感器(qì)和(hé)聲表面波(SAW)傳感器(qì)兩種。壓電(diàn)類傳感器(qì)既可(kě)以測量溫度和(hé)質量的變化，又可(kě)測量壓力、力和(hé)加速度等參數(shù)，但(dàn)在電(diàn)子鼻系統中，它們一般隻作(zuò)為(wèi)質變量傳感探測器(qì)使用。QCM傳感器(qì)是一個(gè)幾毫米直徑的諧振盤，盤面敷有(yǒu)聚合物材料，每面有(yǒu)一個(gè)與導線相連的金屬電(diàn)極，結構如圖2所示。當該傳感器(qì)受振蕩信号激勵時(shí)，便諧振于特征頻率(10Hz～30MHz)，而一旦氣體(tǐ)分子被吸收到聚合物塗層表面，就增加了該盤的質量，因此降低(dī)了諧振頻率，諧振頻率的高(gāo)低(dī)與所吸收的氣體(tǐ)分子質量成反比。QCM傳感器(qì)對不同氣體(tǐ)的響應、選擇性可(kě)通(tōng)過調整諧振盤聚合物塗層來(lái)改變，而減小(xiǎo)石英晶體(tǐ)的尺寸和(hé)質量，并減小(xiǎo)聚合物塗層的厚度，則可(kě)進一步縮短(duǎn)傳感器(qì)的響應時(shí)間(jiān)和(hé)恢複時(shí)間(jiān)。
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