Учёные лаборатории двумерных материалов для микроэлектроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе в сотрудничестве с российской компанией разработали экспресс-анализатор «электронный нос». Он оснащён мультисенсорным детектором на основе графена.
Устройство умеет автоматически распознавать запахи и найдёт применение в медицине, нефтегазовой промышленности, пищевой индустрии и экологических проектах.
Нацелен на распознавание сильных и «грубых» запахов
Анализ запахов давно применяется в медицине и пищевой промышленности. Ведь те или иные запахи могут указывать на признаки заболеваний или на испорченность продуктов. Особо актуальной эта технология стала после пандемии COVID-19, когда у многих переболевших снизилась обонятельная функция.
Носителями ароматов являются газы, а в промышленности для их распознавания традиционно используют газоанализаторы — высокоточные приборы, измеряющие их концентрацию в воздухе. Однако запах — это не просто объективная характеристика газа, но и реакция обонятельных рецепторов человека на него. Это усложняет задачу.
Созданный российскими учёными «электронный нос» имеет тот же принцип, что и естественные механизмы распознавания запахов человеком. Используемые в приборе модификации графена благодаря своим физико-химическим свойствам формируют нужный отклик на молекулы газа. А искусственный интеллект анализирует этот отклик, сравнивая его со своей базой данных.
«Если проводить аналогию с человеческим носом, то графеновое покрытие выполняет роль рецепторов, а сигнал передаётся на управляющую плату, где расположен чувствительный элемент. Эта плата обрабатывает сигнал и передаёт его на компьютер или специализированные микросхемы, которые сравнивают его с базой данных запахов», — поясняют разработчики.
Они признают, что в настоящее время их устройство в первую очередь нацелено на распознавание сильных и «грубых» запахов в пределах допустимых концентраций. Ведь главная задача «электронного носа» — улавливать неприятные запахи, такие как оксиды, серосодержащие соединения, меркаптаны (тиолы), соединения угарного газа, пропан, бутан. Также прибор нацелен на летучие спиртовые соединения, аммиак, формальдегид и ацетон. Всё это необходимо для безопасности производства.
По словам учёных, определение спиртовых соединений представляет наибольшую сложность, так как на их выявление существенно влияют пары воды, а высокая влажность снижает чувствительность прибора. «Также нам надо поработать над сушением проб без потери запаха. Для этого у нас есть мембранные системы, которые пока находятся в разработке», — отмечают они.
Умеет выявлять новые ароматы
Главное преимущество этого «электронного носа» по сравнению с аналогами — в его способности выявлять новые запахи. Ни один газоанализатор не сможет решить эту задачу без предварительной настройки на конкретный запах. А это устройство умеет выявлять характерные новые запахи на фоне базового уровня сигнала.
Где оно найдёт применение? Как уже сказано, регистрация в воздухе опасных соединений необходима на многих производствах. Так, ряд легковоспламеняющихся веществ имеет характерный запах. Его внезапное появление или усиление может быть признаком неполадки или аварии. «Электронный нос» станет независимым сигнализатором.
Широкий спектр применения виден в медицине. Ведь специфический запах от человека может свидетельствовать о наличии у него некоторых заболеваний. Прибор может использоваться для их выявления. В частности, он поможет в диагностике сахарного диабета, различных заболеваний лёгких и желудка.
На предприятиях пищевой промышленности «электронный нос» сможет подать сигнал о наличии испорченной продукции. Также он пригодится при контроле качества производства спиртосодержащих продуктов.
Наконец, экологический мониторинг. Комфорт человека определяется в том числе наличием в воздухе неприятных запахов. Разработка российских учёных поможет и в этом — прибор будет контролировать выброс в атмосферу вредных и ядовитых газов.
На текущий момент «электронный нос» прошёл тестирование и готов к широкому применению. Его авторы продолжают увеличивать базу запахов, разрабатывать методики и приложения для пилотных задач в промышленности, а также устанавливают стандарты оценки запахов с помощью прибора.