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“电子鼻“能实现吗？资料下载
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2021-04-23
贾飞小
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很大一部分模拟电子产品都与现实世界的传感器及讯号处理密切相关。使我们拥有能完美撷取并译码声音、光、影像、压力、运动、热量和温度的传感器及运算系统。但是，在对味道和气味进行检测和分类时，仍面临极大的挑战，这是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(electronic nose)，是因为用于气味或味道检测的通用传感器非常有用。
气相色谱法或液相色谱法是目前用来判定未知气味或味道最成功的方法，这种方法需要苦心准备，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。
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，事实上在撷取、判断和辨识分子光谱时，电子鼻仍远不及生物鼻。
例如，马萨诸塞大学(University of Massachusetts)阿姆赫斯特(Amherst)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，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。
图1 在这张充满艺术感的图片中，从地杆菌(Geobacter，背景)收集到的蛋白质奈米线(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：马萨诸塞大学阿默斯特分校/Yao Lab)
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奈米线，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，基于奈米线的传感器非常灵敏，能检测的氨气浓度范围很宽(10~106ppb)。
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奈米级“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。Lovley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。
当然，也可以用一些非生物学方法来研制检测指定气味的电子鼻。其中一种技术是使用基于250GHz射频的受雷射光谱(图2)，其他技术则使用光谱的拉曼散射(Raman scattering，指光子的非弹性散射)来实现远距离感测。
图2 旋转光谱仪(使用Virginia Diodes的接收器)表示这种250GHz气体检测装置较复杂，还显示了所采用的先进技术。(图片来源：德州大学达拉斯分校)
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。也许会有某种微信道，信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仿真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。能辨识气味(和味道)既是天生的本领，也是透过后天的学习而做出的反应。
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