嗅！电子鼻更灵敏了
经过数亿年的发展，生物进化出了近乎完美的嗅觉系统以躲避威胁、捕获猎物，从而得以生存。早在1.5万年前，人类就利用犬类具有更加优异嗅觉的特点，驯化了犬类辅助捕猎和预防猛兽袭击。此后，人们还利用金丝雀对地下煤矿中的一氧化碳进行检测，利用警犬检测爆炸物、毒品、疾病等。
但是，直接利用生物进行检测存在成本高、生物情绪状态不稳定等缺点，限制了其在实际环境中的应用。因此，人们试图通过模仿生物的嗅觉，开发具有仿生功能的人工嗅觉系统，即电子鼻、生电鼻和比色鼻。
图1 （a-c）自然嗅觉系统识别气味过程机理图；（d-f）比色人工嗅觉系统总图及其检测过程图；（g-h）比色人工嗅觉系统分解图及其制备过程图
电子鼻是1982年由Persaud和Dodd开发出了第一个人工鼻子，其成功利用传感阵列并辅助以指纹识别技术实现了对于多种气味的区分识别。但是，电子鼻依然主要依赖于待测物与目标气体分子间的无特异性物理吸附，这就导致其依然容易受到环境中其它物质，尤其是湿度的干扰。而通过对电子鼻表面化学修饰以提高其选择性，不仅极大提高了材料制备的复杂性，还由于这种不可逆的化学反应而导致基线漂移。
随着1991年哥伦比亚大学科学家Buck和Axel解码了嗅觉受体这一划时代的发现，生电鼻获得了极大的发展。它不仅具有优异的抗干扰特性，而且可以达到0.1 fM的液体超灵敏检测和PPt 级别（10-12，万亿分之一）的气体检测限。但是，由于生电鼻完全依赖种类有限的生物嗅觉受体，这就导致对于一氧化氮、甲烷等无味有毒气体难以检测，更不要说其所需的复杂异质表达系统和要求较高的培养环境。
北伊利诺伊大学的 Suslick 课题组在2000年率先利用金属卟啉染料制备出了比色鼻子。由于比色鼻子主要利用其与目标分子从最弱的范德瓦尔斯键到最强的共价键或离子键等一系列弱强不同的比色阵列组成，因此其具有极其优异的灵敏度和选择性。但是其由于采用的比色阵列均为交叉相应，这就导致较弱闭塞单元被干扰后就会引起整体判断的错误。此外，因为是一次性使用，这就造成了不必要的环境污染和资源浪费。
无论是哪种人工鼻子，其都无法完成对挥发性极低甚至不挥发物质的检测，这也就极大地限制了人工鼻子的发展。
如何针对挥发性极低甚至不挥发爆炸物检测，从人工嗅觉系统方面提出新的解决方案，是一项极为挑战性的课题，而这也极大地限制了人工嗅觉系统的发展。是否有可能将电子鼻的可重复使用性、生电鼻的特异性和比色鼻的完全不依赖生物组织的优点结合在一起，并且克服其共同的缺点——无法检测挥发性极低甚至完全不挥发物质，是当今痕量检测领域面临的巨大挑战。
众所周知，人体嗅觉系统能够受到固体花粉刺激。那么，是否可以通过检测空气中悬浮颗粒而达到检测难挥发物质的目的呢？
经过深入分析嗅觉系统的作用机理，研究人员设计开发出一种全新的人工嗅觉系统——基于水凝胶的比色人工嗅觉系统。主要基于三个方面的仿生效果：1）利用水凝胶既具有微液环境又具有固体机械性能的特点，模拟嗅觉粘膜，实现空气中悬浮颗粒的吸附、溶解及检测；2）以针对待检测物的、特异性强的比色探针加载到水凝胶中以模拟气味结合蛋白；3）利用反应产物特定颜色传导出的光学信号，模拟嗅觉受体发生形状变化传输信号。
比色水凝胶首先通过物理吸附将悬浮在空气中的非制式爆炸物颗粒吸附在其表面，之后颗粒边溶解边与比色水凝胶中的试剂反应，最后在一定区域内产生明显地颜色变化。
图2（a）比色试剂检测1 mM的NaClO前后紫外-可见吸收光谱对比图，插图为比色皿中试剂颜色对比图片及其反应机理图；（b-d）随NaClO浓度增加试剂的颜色变化过程图，紫外-可见吸收光谱变化图，666 nm位置处吸收值变化图及其拟合曲线插图；（e）试剂在60天内检测不同浓度NaClO的666 nm位置处紫外-可见吸收峰值变化图及其实物照片；（f）试剂检测不同浓度NaClO的RGB距离变化图及其拟合曲线插图；（g-h）RGB距离分析试剂对于日常用品及其空气中水溶性悬浮离子的选择性和抗干扰性能，插图为其相应的实物照片（图中的标准偏差均为3次测试后的计算结果）
实验结果表明比色水凝胶检测5种1.2-9.8 µm直径范围内的非制式爆炸物颗粒时，对NaClO、KClO₃、NaClO₄、尿素和KNO₃可分别在20 s、0.6 s、0.3 s、1 s和0.2 s实现识别。同时，该比色人工嗅觉系统对不同种类的非制式爆炸物颗粒质量低至66.7 pg（NaClO），39.4 pg（KClO₃），137.9 pg（NaClO₄），65.5 pg（尿素）和127.2 pg（KNO₃）时就能实现明显识别，因而具有pg级的检测限。不仅如此，该比色人工嗅觉系统还具有优异的选择性和可重复使用性。
图3 （a）赋予水凝胶比色检测性能及其可重复使用性能的示意图与扫描电镜图；（b-c）水凝胶、比色水凝胶、检测后及其萃取后水凝胶的傅里叶-红外光谱和重复使用时的RGB距离变化
图4 （a-c）比色水凝胶检测颗粒过程示意图；比色水凝胶检测5种非制式爆炸物悬浮颗粒的（d）时间序列图，（e）差色图,（f）颜色扩散面积随时间的变化图
该方法克服了传统意义上电子鼻、生电鼻、比色鼻的缺点，不仅解决了严重威胁世界人民生命和财产安全的难挥发性非制式爆炸物检测难题，而且将人工嗅觉系统推向了一个新高度。在实际情况下，该方法还可以扩展到毒品检测、环境污染物监测、食品安全等领域。
实际测试使用
日前，相关研究成果以 A Colorimetric Artificial Olfactory System for Airborne Improvised Explosive Identification 为题发表在材料领域国际期刊Advanced Material 上，并被选为杂志内封底，随后还得到得到材料领域学术网站Materials Views China报道。
来源：中国科学院新疆理化技术研究所
“电子鼻”嗅出商机 香港青年纳米技术研发气体检测器
中新网8月5日电 据香港《明报》报道，气味触不到摸不着，却无处不在，也与人的生活息息相关。一心要把气味变得可测可控的郭韦廷，凭借纳米技术研制出如“电子鼻”一般的气体监测传感器，可嗅出大到重工业、小到一般家庭都适用的气体商机。
2016年，还在香港城市大学念书的郭韦廷的期末论文，选择了气体检测器项目，虽然是首次接触，但郭韦廷却深深迷上了这个范畴，“当时有实验室拍档跟我一样想在这方面大展拳脚，于是萌生创业念头”，由于同伴要晚一年毕业，郭韦廷毕业后，即2017年至2018年间先打工，到2018年底才正式成立初创公司。
郭韦廷说，每人预备了十几万港元，预计可营运最多2年。他直言选一个冷门领域去创业很大胆，但事实上气体监测技术对应的是一个很庞大、且未充分开发的市场。
郭韦廷介绍，现在市面上的气体检测器林林总总，但每款只能对应一种气体，且不支持数据及上网功能，而且检测器体积不小。
而他的公司研制的气体检测芯片，面积虽只有15毫米乘15毫米，内里是由纳米技术制成的16块不同材料传感器，不单令检测速度比一般快10倍，灵敏度和准确度也高出10倍，目前该芯片可检测64种气体。
实际上，可检测气体数量可以多到无限，因芯片连接网络，可通过学习功能辨别新的气体种类：“只要我们将不同气味的成分等输入数据库，传感器便能检查，就如一部气味字典，库存愈多，可检测的气体便愈多。”
公司的电子鼻不单能嗅千万种气体，还包括种类和浓度，并可将资料数据化，在应用上更方便有效，应用范围也变得广泛，工商业、农业、环保、健康医疗、日常生活乃至海关等都能派上用场。
“工业如输油管道、下水道、矿场都需要检测空气中是否存在有毒或易燃成分；农业方面可通过气味浓度分析使用农药剂量；甚至冰箱放一个，可以告诉你什么食物开始变质”。郭韦廷说道。
目前，郭韦廷仍忙于其“电子鼻”的进一步设计研发和数据输入分析，另外还要解决产品的量产问题。他预计过程顺利的话，2019年内“电子鼻”可投产。
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