电子鼻能嗅出疾病、野火和害虫

由气体传感器驱动的电子鼻或“电子鼻”在解码化学和环境信息的各种应用中发挥着关键作用。近年来，随着硬件和算法的进步，这项技术取得了重大进展。因此，它们有广泛的潜在用例，从环境监测到医学诊断。然而，尽管这项技术取得了许多进步，但传感器的稳定性和可靠性仍然是一个问题。

 

也许芯片上的鼻子最著名的例子是英特尔的Loihi神经形态测试芯片。图片由英特尔提供

 

本文讨论了电子鼻的最新突破，并展示了这些壮举如何创新地应对气体传感的挑战。

 

什么是电子鼻？

电子鼻模仿人类和动物的嗅觉系统。我们的嗅觉依赖于嗅觉受体神经元。气味分子与ORN表面的特定受体相互作用，触发电化学电位，最终产生感觉。电子鼻由检测复杂气味分子的传感器阵列组成。

由于气味是不同化学物质的复杂混合物，每种化学物质都有独特的化合物组合，因此气体传感器试图捕捉这些化合物。通过分析化学物质的模式，电子鼻可以识别或分类气味。

 

在气味类别识别中，生物嗅觉系统与电子鼻的操作。图像由智能计算提供

 

最近，人们做出了许多努力来提高这些传感器的灵敏度、选择性和稳定性。目前，电子鼻面临着局限性，例如随着时间的推移，传感器漂移会导致读数不准确，选择性有限，很难区分类似的气味。这些传感器还与低挥发性的化学物质作斗争。

人工智能（AI）和机器学习（ML）可以在一定程度上帮助提高这些设备的性能。研究人员已经探索了深度学习算法来分析传感器响应的模式并识别特定的化合物。然而，某些类型的气味在其学习数据集中可能代表性不足，这可能导致偏见并降低准确性。

 

电子鼻与微生物纳米线用于健康监测

马萨诸塞大学阿默斯特分校的科学家最近创造了一种纳米线，可以与细菌一起经济地生长，并进行优化以识别各种化学物质。数千个纳米线的阵列可以层叠在一个紧凑的可穿戴传感器上，使其在诊断哮喘和肾脏疾病等疾病方面非常有用。这些传感器比传统的碳纳米线更环保，因为这些电线是有机的和可生物降解的。

研究人员从他们在之前的研究中使用的一种细菌硫还原土杆菌开始，该细菌可以制造一种能够从糖果中产生电力的生物膜。虽然这些细菌可以生长导电纳米线，但它们需要特定的环境才能生长。

科学家将硫还原G.Sulfurreducens拼接在一起，以去除大肠杆菌的DNA，大肠杆菌是一种广泛存在的细菌。然后，他们对其进行了修饰，使其包含DLESFL，一种对氨极为敏感的肽。肾脏疾病患者的呼吸中存在氨。该团队采集了对氨敏感的纳米线，并建立了一个传感器来检测患者体内的这种化学物质。

 

可以捕捉气味的纳米线被内置在传感器中。图像由生物传感器和生物电子学提供

 

该团队报告称，转基因纳米线对氨的反应是以前的100倍。该研究的共同主要作者、麻省大学阿默斯特分校微生物学研究教授Toshiyuki Ueki建议，可以设计独特的肽，并结合数百个敏感的纳米线来捕捉许多气味，并识别肾脏疾病以外的不同健康状况。

 

用电子鼻探测野火

除了能嗅出人类的疾病外，电子鼻还可以在闷烧的第一个小时内检测到野火，这大大增加了灭绝的几率。加州林业和消防部（CAL Fire）计划试点环保初创公司Dryad Networks的野生动物检测技术，该技术旨在更快地识别野火，并减少与此类事件相关的破坏。新的传感器可以在几分钟内检测到野火，而消防员仍有可能将其扑灭。

除了野火探测，Dryad传感器还可以监测小气候、温度、湿度和气压。它包括用于超低功率空气质量传感的精确气体传感模式。

 

在野火的闷烧阶段（前60分钟内）使用Dryad传感器。图片由Dryad Networks提供

 

Dryad的Silvanet野火传感器与人工智能相结合，可以检测氢气、一氧化碳和二氧化碳，从而区分点燃它们的燃料。该装置采用太阳能，使用超级电容器代替锂离子电池。此外，LoRaWAN通信能力使Dryad的传感器能够运行10-15年，而无需更换电容器。

 

嗅探番茄白蝇的感染

电子鼻也被用于农业研究。农业研究服务局（ARS）和大学的研究人员开发了一种电子鼻，可以嗅出番茄植物中的粉虱侵扰，它的工作原理是识别这些植物在被粉虱侵扰时释放到空气中的挥发性有机化合物。

 

使用电子鼻系统对挥发性有机物进行采样。图片由ARS提供

 

该团队制造了一个可以在温室中运行的电子鼻原型。该设备由气体传感器、数据采集模块和其他组件组成，有效地将VOC样本转换为数字信号，然后将其传输到编程的算法中，以识别特定类型和浓度。该系统可以区分受感染的番茄和健康番茄的“气味指纹”。

该团队认为，通过额外的测试和开发，他们的系统可能会成为温室业主的一个有用的监测工具，在苍蝇达到破坏水平之前解决它们。