Российские ученые разработали первый в мире «электронный нос», чувствительный сразу к нескольким токсичным газам. Сенсоры не требуют большой мощности батареи, стабильны при высокой влажности и способны распознать наличие в пробе всего 30 молекул диоксида азота или этилмеркаптана. Устройство поможет отслеживать состояние окружающей среды, регулировать работу промышленных предприятий и оценивать свежесть скоропортящейся еды. Статья опубликована в журнале Scientifc Reports.
Токсичные газы, такие как оксиды азота, сероводород, меркаптаны и аммиак, связаны с загрязнением воздуха промышленными предприятиями и двигателями внутреннего сгорания. Обнаружение этих соединений в выдыхаемом воздухе может стать маркером ряда опасных заболеваний. Продукты питания при порче выделяют аммиак и сероводород, сенсоры к которым можно интегрировать в холодильники или «умную» упаковку. Для решения этого класса задач в настоящий момент используются газовые сенсоры на основе тонких пленок органических полупроводников. Молекулы газа, попадающие на пленку, изменяют ее электрические свойства, а для усиления слабых сигналов используются транзисторы.
Однако сенсоры на основе транзисторов обычно плохо различают молекулы, а при этом еще и нестабильны. Для решения этой проблемы ученые из Института синтетических полимерных материалов имени Н.С. Ениколопова РАН объединили несколько различных сенсоров в массив, а для обработки сигналов использовали методы машинного обучения. Подход имитирует обоняние млекопитающих, где множество сенсоров выполняет функцию обонятельного эпителия с большим количеством разных рецепторов, а машинное обучение — роль коры мозга.
«Ранее наш коллектив разработал способ управления чувствительностью таких сенсоров к отдельным газам, а в данной работе мы смогли объединить большое количество датчиков на одном чипе и продемонстрировали электронную систему на основе органических транзисторов, работающую как обоняние», — сообщил руководитель гранта РНФ Сергей Пономаренко.
Ученые покрыли пленки дополнительными рецепторными слоями, содержащими металлопорфирины, в которые были включены ионы металлов. Прямоугольный чип с 20 сенсорами последовательно окунали в три различных раствора с модифицирующими соединениями. Это позволило объединить на малой площади четыре группы сенсоров, которые по-разному реагировали на исследованные газы. Электрические сигналы от каждой группы анализировали методами машинного обучения для обнаружения характерных «отпечатков», свойственных определенным газам. Разница в откликах нескольких групп сенсоров позволила различать между собой диоксид азота, сероводород, этилмеркаптан и аммиак. Чувствительность анализатора позволяет обнаружить всего несколько десятков молекул серо- и азотсодержащих газов среди миллиарда молекул воздуха. На основе массива сенсоров ученые создали прототип портативного устройства, которое было проверено на практике. Для этого исследователи установили сенсор на крышку пищевого контейнера с сырым мясом и следили за изменением сигнала. Уже на десятом часу хранения уровень сигнала позволил сказать о том, что мясо испорчено.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
