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

电子鼻应用前景较好 2021-2026年后未来市场发展潜力巨大

电子鼻应用前景较好 未来市场发展潜力巨大

　　电子鼻又称气味扫描仪，是由多个性能彼此重叠的气体传感器和适当的模式识别算法组成的具有识别气味的特定成分并分析其化学成分能力的装置。电子鼻起源于上世纪八十年代，其工作原理是基于模仿人类气味识别机制，相比于传统气体分析技术，电子鼻具有使用方便、价格低廉、响应速度快等优势，目前电子鼻已在食品、农业、生物医学、环境监控、消防等多个领域得到广泛应用。

　　根据新思界产业研究中心发布的《2021-2025年中国人工电子鼻行业市场分析研究报告 》显示，电子鼻属于高端分析仪器，行业存在一定的资金、研发壁垒，因此全球电子鼻市场相对集中，主要供应商包括Alpha MOS、Airsense以及Sensigent公司等，头部企业凭借质量、品牌等优势占据市场主要份额。随着科技技术进步，以及相关研究持续深入，未来电子鼻市场发展潜力巨大。　　从产品组成来看，电子鼻主要由气味取样操作器、气体传感器和信号处理系统三种功能器件组成，其中气体传感器是电子鼻装置的核心器件。气体传感器属于技术、资金密集型行业，全球气体传感器产能主要集中在美国、日本、英国以及中国等地区，经过多年发展与积累，我国气体传感器生产能力不断提升，炜盛科技、微纳传感、汉威科技、四方光电等企业已具备与国际企业相竞争的能力。我国气体传感器产业发展持续向好，为电子鼻行业发展奠定了坚实的基础。

　　随着市场的发展，电子鼻在肿瘤检测、茶叶香气检测、香精识别等多个领域都表现出了良好的应用前景，但目前来看，受技术限制，电子鼻产品价格昂贵，商业化应用进程较为缓慢，国内外大部分对电子鼻的研究仍处于实验室阶段，商品化的电子鼻产品还存在着传感器灵敏度不高、易受环境因素影响、重复性不理想等问题，未来电子鼻行业发展仍需从传感材料研发、数据处理、技术改进等方面进行深入探索。

　　新思界行业分析 人士表示，近年来，随着研究不断深入，电子鼻在生物医学、食品检测、农业、环境监测等领域都表现出了良好的应用前景，未来电子鼻行业发展潜力较大。但目前来看，电子鼻属于高端分析仪器，受技术限制，电子鼻商业化应用进程缓慢，多数产品仍处于实验室阶段，且产品质量不稳定，未来电子鼻行业发展仍需进一步探索。

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