“電子鼻“能實(shí)現(xiàn)嗎？資料下載

很大一部分模擬電子產(chǎn)品都與現(xiàn)實(shí)世界的傳感器及訊號處理密切相關(guān)。使我們擁有能完美擷取并譯碼聲音、光、影像、壓力、運(yùn)動(dòng)、熱量和溫度的傳感器及運(yùn)算系統(tǒng)。但是，在對味道和氣味進(jìn)行檢測和分類時(shí)，仍面臨極大的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)槲兜篮蜌馕妒腔诨瘜W(xué)而不是物理原理。研究人員孜孜以求堅(jiān)持不懈地研發(fā)電子鼻(electronic nose)，是因?yàn)橛糜跉馕痘蛭兜罊z測的通用傳感器非常有用。 氣相色譜法或液相色譜法是目前用來判定未知?dú)馕痘蛭兜雷畛晒Φ姆椒?，這種方法需要苦心準(zhǔn)備，比較起來，倒不如把東西拿起來聞一聞或者嘗一嘗，然后說“嗯…聞起來/嘗起來…”要快得多也簡單得多。色譜法肯定比鼻子靈敏很多，而且可以分辨出更多的成分，但我們還是需要一種簡單的傳感器，能夠直接檢測出味道或氣味。 但是，到目前為止，研究人員的主要精力都放在檢測一種或一類密切相關(guān)的化合物上。與生物鼻相比，這種電子傳感器確實(shí)有其優(yōu)勢：更加靈敏，并且可提供定量結(jié)果。但是不要被誤導(dǎo)了，盡管“電子鼻”被媒體大肆宣揚(yáng)，事實(shí)上在擷取、判斷和辨識分子光譜時(shí)，電子鼻仍遠(yuǎn)不及生物鼻。 例如，馬薩諸塞大學(xué)(University of Massachusetts)阿姆赫斯特(Amherst)分校的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)最近開發(fā)了生物電子氨氣傳感器(圖1)，他們認(rèn)為這種傳感器是有史以來最靈敏的傳感器之一。氨氣對農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)都非常重要，但在高濃度時(shí)非常危險(xiǎn)，人體的代謝過程中通常也會(huì)產(chǎn)生氨氣，在自然界的水、土壤、空氣甚至微小的細(xì)菌分子中也有。因此，即使只用來檢測氨氣，有這樣一個(gè)“鼻子”也不錯(cuò)。 圖1 在這張充滿藝術(shù)感的圖片中，從地桿菌(Geobacter，背景)收集到的蛋白質(zhì)奈米線(淺綠色)位于電極(金色)之間，形成生物電子傳感器，可以檢測生物分子(紅色)。(圖片來源：馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校/Yao Lab) 該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的傳感器采用從硫還原地桿菌中提取的電荷傳導(dǎo)蛋白質(zhì)奈米線，為電子設(shè)備提供生物材料。從他們發(fā)表在《Nano Research》上的學(xué)術(shù)論文“Bioelectronic protein nanowire sensors for ammonia detection”可知，基于奈米線的傳感器非常靈敏，能檢測的氨氣濃度范圍很寬(10~106ppb)。 這種細(xì)菌背后的故事也很有趣：三十多年前，資深論文作者及微生物學(xué)家Derek Lovley教授在河泥中發(fā)現(xiàn)了地桿菌。這些微生物長出的類似頭發(fā)的蛋白質(zhì)細(xì)絲可以充當(dāng)奈米級“導(dǎo)線”，用于傳輸電荷以提供細(xì)菌所需的營養(yǎng)，并與其他細(xì)菌進(jìn)行通訊。Lovley指出，研究人員可以對這些蛋白質(zhì)進(jìn)行“調(diào)節(jié)”，使其對其他化學(xué)物也敏感，從而變得更通用。盡管可以調(diào)節(jié)，但它仍然是一個(gè)應(yīng)用面較”窄“的傳感器，對有些應(yīng)用程序和系統(tǒng)目標(biāo)而言很適合，對另一些則可能完全不適用。 當(dāng)然，也可以用一些非生物學(xué)方法來研制檢測指定氣味的電子鼻。其中一種技術(shù)是使用基于250GHz射頻的受雷射光譜(圖2)，其他技術(shù)則使用光譜的拉曼散射(Raman scattering，指光子的非彈性散射)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離感測。 圖2 旋轉(zhuǎn)光譜儀(使用Virginia Diodes的接收器)表示這種250GHz氣體檢測裝置較復(fù)雜，還顯示了所采用的先進(jìn)技術(shù)。(圖片來源：德州大學(xué)達(dá)拉斯分校) 然而，利用電子學(xué)、光學(xué)或生物電子學(xué)原理來實(shí)現(xiàn)能檢測多種化學(xué)物質(zhì)的通用氣味傳感器的目標(biāo)仍然遙不可及。也許會(huì)有某種微信道，信道里面有多種反應(yīng)物，它們之間會(huì)發(fā)生標(biāo)記的電化學(xué)反應(yīng)；也可能芯片上有一個(gè)色譜通道，輸入端有一個(gè)樣品加熱器，輸出端有一個(gè)流量傳感器。也許有人能想出如何利用電化學(xué)方法仿真具有不同嗅覺敏感度、能檢測多種不同氣味的生物鼻。最有名的可能是獵犬(圖3)，不過人類也可以像許許多多不同的動(dòng)物一樣，聞到(并嘗出)多種化學(xué)物質(zhì)。能辨識氣味(和味道)既是天生的本領(lǐng)，也是透過后天的學(xué)習(xí)而做出的反應(yīng)。