Уникальную установку по созданию неорганических наноматриц, которые станут основой датчиков «электронного носа», представили ученые химического факультета кафедры аналитической и медицинской химии Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского 20 июня в рамках пресс-тура по объектам национального проекта «Наука и университеты» и научно-популярного маршрута, созданного по инициативе «Научно-популярный туризм» Десятилетия науки и технологий.
Электронный нос — прибор, который частично имитирует работу человеческого носа. Обработка сигналов с такого устройства может определять даже малые концентрации токсичных газов при помощи сенсоров, фиксирующих оксид азота, сероводород, аммиак и другие вредные вещества. Оригинальные чувствительные материалы, созданные учеными ННГУ, помогут усовершенствовать портативность и энергопотребление «носа».
Установка в режиме 3D-принтера создает сложные неорганические соединения для «электронного носа». В качестве чернил, как и у принтера, используются элементы в высоком чистом состоянии, которые загружаются в специальные емкости, в качестве печатающей головки используется плазмохимический реактор.
«Оптико-эмиссионная диагностика позволяет контролировать, что происходит внутри реактора. Специальный «глаз», соединенный с компьютером, помогает видеть набор линий, который соответствует возбужденным атомам, и наблюдать, какие атомы с какими клетками взаимодействуют, и какой материал мы получим на подложке. Установка позволяет получать сложные неорганические соединения и различные материалы, использующиеся в том числе для «электронного носа». В отличие от человеческих рецепторов, материалы работают при повышенных температурах и в условиях сильных загрязнений и чувствительны к ряду газов, которые необходимо отследить», — сказал заведующий Научно-исследовательской лабораторией технологии высокочистых материалов отдела химии неорганических соединений НИИ Химии, старший научный сотрудник Кафедры аналитической и медицинской химии Химического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского Леонид Александрович Мочалов.
Оригинальный химический состав на основе неорганических соединений — оксида цинка, нитрида галлия, и других композиций — меняет электрофизические свойства при сорбции молекул и реагирует на газы. Датчики электронного обоняния или «электронный нос» способны обнаруживать и распознавать эти запахи для раннего предупреждения техногенных, химических и биологических угроз и мониторинга окружающей среды.
«Как работает человеческий нос — молекула попадает в носовую полость, обонятельные эпителии посылают нервные импульсы в головной мозг, и мы воспринимаем запах. А здесь фактически электронный сенсор воспринимает цифровой сигнал и передает информацию в нейронную сеть, где он анализируется. Только человеческий нос чувствует не все газы, например, не воспринимает метан или пропан. И при утечке газа нос улавливает лишь специальные соединения, позволяющие распознать утечку. А датчик «электронного носа» химически взаимодействует с молекулой и распознает любой запах», — рассказал заведующий кафедрой аналитической и медицинской химии химического факультета, директор Центра инновационного развития медицинского приборостроения, проректор по учебной работе ННГУ им. Н.И. Лобачевского Александр Владимирович Князев.
Сравнительная схема биологического и электронного носа. Слайд презентации
Однако не существует универсального датчика — как и у человеческого обоняния есть разные эпителии на разные газы, так и на каждое соединение нужен отдельный. И для каждого датчика создается свое соединение. «В дальнейшем датчики будут крепиться к панели портативного устройства. И чем больше будет датчиков, тем шире диапазон обнаружения разных газов», — подчеркнул Александр Князев.
При использовании системы датчиков, например, размещая датчики по газовой трубе на расстоянии 200 м. друг от друга, можно будет легко обнаружить точную область утечки без участия специалистов. Система будет высвечивать те или иные концентрации газов и информировать жителей.
Изначально технология разрабатывалась с целью контроля безопасности. «Все началось с исследований, целью которых было обнаружение опасных веществ — наркотических, взрывчатых. Например, можно было бы поставить такие датчики в аэропорт и обнаруживать потенциально опасные концентрации веществ. Для этого есть специально обученные собаки, однако при большом потоке людей лучше работают электронные системы».
В перспективе электронное обоняние может использоваться в пищевой промышленности, при контроле качества продуктов питания. «Многие продукты везут издалека, и не все доезжают свежими, а с помощью датчиков «электронного носа» можно контролировать гниение по запаху», — подытожил Александр Князев. Также датчики могут, например, обнаруживать подделки в парфюмерии.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.