通用「電子鼻」能實現嗎?

作者 : Bill Schweber,Planet Analog

很大一部分類比電子產品都與現實世界的感測器及訊號處理密切相關,使我們擁有能完美擷取並解碼聲音、光、影像、壓力、運動、熱量和溫度的感測器及運算系統。但是,在對味道和氣味進行檢測和分類時,仍面臨極大的挑戰…研究人員孜孜以求堅持不懈地研發電子鼻(electronic nose),是因為用於氣味或味道檢測的通用感測器非常有用。

很大一部分類比電子產品都與現實世界的感測器及訊號處理密切相關。使我們擁有能完美擷取並解碼聲音、光、影像、壓力、運動、熱量和溫度的感測器及運算系統。但是,在對味道和氣味進行檢測和分類時,仍面臨極大的挑戰,這是因為味道和氣味是基於化學而不是物理原理。研究人員孜孜以求堅持不懈地研發電子鼻(electronic nose),是因為用於氣味或味道檢測的通用感測器非常有用。

氣相色譜法或液相色譜法是目前用來判定未知氣味或味道最成功的方法,這種方法需要苦心準備,比較起來,倒不如把東西拿起來聞一聞或者嘗一嘗,然後說「嗯…聞起來/嘗起來…」要快得多也簡單得多。色譜法肯定比鼻子靈敏很多,而且可以分辨出更多的成分,但我們還是需要一種簡單的感測器,能夠直接檢測出味道或氣味。

但是,到目前為止,研究人員的主要精力都放在檢測一種或一類密切相關的化合物上。與生物鼻相比,這種電子感測器確實有其優勢:更加靈敏,並且可提供定量結果。但是不要被誤導了,儘管「電子鼻」被媒體大肆宣揚,事實上在擷取、判斷和辨識分子光譜時,電子鼻仍遠不及生物鼻。

例如,麻塞諸塞大學(University of Massachusetts)阿姆赫斯特(Amherst)分校的一個研究團隊最近開發了生物電子氨氣感測器(圖1),他們認為這種感測器是有史以來最靈敏的感測器之一。氨氣對農業、環境科學和生物醫學都非常重要,但在高濃度時非常危險,人體的代謝過程中通常也會產生氨氣,在自然界的水、土壤、空氣甚至微小的細菌分子中也有。因此,即使只用來檢測氨氣,有這樣一個「鼻子」也不錯。

圖1 在這張充滿藝術感的圖片中,從地桿菌(Geobacter,背景)收集到的蛋白質奈米線(淺綠色)位於電極(金色)之間,形成生物電子感測器,可以檢測生物分子(紅色)。(圖片來源:麻塞諸塞大學阿默斯特分校/Yao Lab)

該團隊研發的感測器採用從硫還原地桿菌中提取的電荷傳導蛋白質奈米線,為電子設備提供生物材料。從他們發表在《Nano Research》上的學術論文「Bioelectronic protein nanowire sensors for ammonia detection」可知,基於奈米線的感測器非常靈敏,能檢測的氨氣濃度範圍很寬(10~106ppb)。

這種細菌背後的故事也很有趣:三十多年前,資深論文作者及微生物學家Derek Lovley教授在河泥中發現了地桿菌。這些微生物長出的類似頭髮的蛋白質細絲可以充當奈米級「導線」,用於傳輸電荷以提供細菌所需的營養,並與其他細菌進行通訊。Lovley指出,研究人員可以對這些蛋白質進行「調節」,使其對其他化學物也敏感,從而變得更通用。儘管可以調節,但它仍然是一個應用面較「窄」的感測器,對有些應用程式和系統目標而言很適合,對另一些則可能完全不適用。

當然,也可以用一些非生物學方法來研製檢測指定氣味的電子鼻。其中一種技術是使用基於250GHz射頻的受雷射光譜(圖2),其他技術則使用光譜的拉曼散射(Raman scattering,指光子的非彈性散射)來實現遠距離感測。

圖2 旋轉光譜儀(使用Virginia Diodes的接收器)表示這種250GHz氣體檢測裝置較複雜,還顯示了所採用的先進技術。(圖片來源:德州大學達拉斯分校)

然而,利用電子學、光學或生物電子學原理來實現能檢測多種化學物質的通用氣味感測器的目標仍然遙不可及。也許會有某種微通道,通道裡面有多種反應物,它們之間會發生標記的電化學反應;也可能晶片上有一個色譜通道,輸入端有一個樣品加熱器,輸出端有一個流量感測器。也許有人能想出如何利用電化學方法模擬具有不同嗅覺敏感度、能檢測多種不同氣味的生物鼻。最有名的可能是獵犬(圖3),不過人類也可以像許許多多不同的動物一樣,聞到(並嘗出)多種化學物質。能辨識氣味(和味道)既是天生的本領,也是透過後天的學習而做出的反應。

圖3 獵犬吸入的空氣分成兩路:一路(紅色)流入嗅覺區域,另一路(藍色)穿過咽喉(黑色)到達肺部。(圖片來源:PBS/Brent Craven)

電子感測器和生物鼻各有長短,這絲毫也不奇怪:電子感測器可以提供極高的靈敏度和很大的動態範圍,但由於它們的設計是針對某些特定的分子,因此只能檢測有限的物質。與此相反,生物學感測器(無論是人類、獵犬還是昆蟲)的靈敏度通常不是很高(儘管在某些情況下可能還不錯),但檢測範圍通常卻很寬。雖然我們已經對「生物鼻」的工作原理有了一定程度的瞭解,但並沒有完全弄清感測器與大腦之間的工作機制或相互作用。畢竟,有些動物的大腦很小,卻很擅長發現食物並感知環境的危險。

你有沒有開發過「氣味」感測器?是用於一種特定的分子、一組物質、還是範圍更廣的一類物質?怎麼開發出來的?遇到過哪些問題?

(參考原文:“Wideband” still elusive in electronic noses,by Bill Schweber)

 

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