“宽带”在电子鼻中仍然难以实现

文章作者:Bill Schweber

模拟电子技术的很大一部分与真实世界的传感器和处理它们的信号有关。我们有非常擅长捕捉和解码声音和语音、光和图像、压力、运动、热量和温度的传感器和计算系统。

然而，在尝试对味觉和嗅觉进行感知和分类时，我们仍然面临一些重大挑战，这主要是因为它们是基于化学而不是物理。尽管如此，研究人员仍在继续研究电子鼻，因为这种用于嗅觉和味觉的通用传感器将非常有用。

目前，评估一种未知的一般气味或味道最成功的方法是使用气相色谱或液相色谱，这需要准备和小心，当然不像吸一口或尝一口然后说“嗯哼....”那样快速和容易闻起来/尝起来像……”诚然，色谱比鼻子灵敏得多，能分解更多的成分。但人们仍然希望有一个简单的传感器，可以直接检测味道或气味。

然而，到目前为止，大多数的研究工作都是专门用于探测和测量单一的或密切相关的一类化合物。这种电子传感器确实比生物鼻子有一个优势:它们更敏感，可以提供定量结果。但不要被误导:虽然标题吹捧“电子鼻”，但现实是，在它们能够捕获、评估和识别的分子光谱中，这些鼻子仍然远远比生物鼻子有限。

例如，马萨诸塞大学(阿默斯特)的一个团队最近开发了生物电子氨-气传感器(数字他们认为这是有史以来最敏感的作品之一。氨对农业、环境科学和生物医学都非常重要，高浓度的氨是非常危险的。在人体和自然界的代谢过程中，在水、土壤和空气中，甚至在微小的细菌分子中，也会正常产生。因此，即使仅限于感知氨，它还是一个很好的“鼻子”。

图1在这幅艺术作品中，来自Geobacter(背景)的蛋白质纳米线(浅绿色)夹在电极(金色)之间，形成生物电子传感器，用于检测生物分子(红色)。(图片来源:图片由马萨诸塞大学阿默斯特/姚实验室）

该团队的传感器使用了源自细菌的电荷传导蛋白纳米线核废料旁边sulfurreducens为电子设备提供生物材料。基于纳米线的传感器非常敏感，而且对范围很广的氨浓度(10到10⁶十亿分之一)，根据他们的学术论文用于氨检测的生物电子蛋白纳米线传感器”发表在纳米研究．

与这种细菌相关的背景故事也很有趣:30多年前，资深论文作者、微生物学家德里克·洛夫利教授发现了这种细菌核废料旁边在泥河。这些微生物生长出毛发状的蛋白质丝，作为纳米级的“电线”，为它们的营养转移电荷，并与其他细菌交流。这位教授指出，这些蛋白质也可以被“调整”，对其他化学物质敏感，使它们在某种程度上更通用。尽管有这种调优功能，但是它仍然是一个相当“窄带”的传感器，这取决于应用程序和系统目标的好坏。

当然，有一些非生物的方法可以为特定的气味创造电子鼻子。一种技术使用250-GHz基于射频的受激光谱(图2)，而另一些则利用光谱中的拉曼散射(光子的非弹性散射)来实现远距离传感。

图2旋转光谱装置(使用弗吉尼亚二极管公司的接收器)显示了这种250-GHz气体传感装置所需的复杂性和先进技术(图像来源:德克萨斯大学/达拉斯分校)。

尽管如此，基于电子、光学或生物电子原理，能够处理各种化学物质的广泛、通用的嗅觉传感器的目标仍然难以实现。也许会有某种微通道，上面有各种各样的反应物，产生标记的电化学反应，或者可能会有一个色谱通道在芯片上，在输入端有样品加热器，在输出端有流量传感器。或者也许有人会想出如何用电化学方法模拟生物的鼻子，生物的鼻子有不同程度的嗅觉灵敏度和广度。侦探犬可能是最有名的(图3)，但人类也能闻到(和尝到)各种各样的化学物质，就像许多各种大小和类型的动物一样。评估气味(和味觉)及其影响既是一种天生的特征，也是一种习得的反应。

图3当一只警犬吸气时，空气分成不同的路径，一条(红色)进入嗅觉区，另一条(蓝色)通过咽部(黑色)进入肺部(图片来源:PBS /布伦特克雷文）.

这里存在一个权衡是不足为奇的:电子传感器可以提供极高的灵敏度和动态范围，但仅限于有限的一组物质，因为它们被调谐到相当特定的分子。相比之下，以生物为基础的传感器——无论是人类、侦探犬，甚至昆虫——通常没有高灵敏度(尽管在某些情况下可能接近)，但通常有非常宽的光谱范围。虽然我们在一定程度上理解了生物“鼻子”是如何工作的，但我们并不完全理解传感器和大脑之间的机制或相互作用。毕竟，有些动物的大脑非常小，它们非常擅长感知食物和危险。

你曾经实现过“气味”传感器功能吗?它是针对一个特定的分子或基团，还是更普遍的一类?结果如何?你遇到了什么问题?