README.md 15 KB
Электронный нос: перспективный многофункциональный прибор
Все мы слышали избитую фразу о том, что большую часть информации люди получают от зрения. Действительно, остальные органы чувств у человека носят вспомогательный характер. Но это не совсем верно для всех животных, у которых роли всех пяти чувств распределены по-другому. И особняком у них стоит обоняние, очень важное как в социальных взаимодействиях, так и в поведении хищников и их жертв. Псовые и грызуны особенно сильно полагаются на свое развитое обоняние. А человеку в некоторых насущных задачах остается полагаться на тех собак и крыс, которых он обучил искать добычу, мины, контрабанду и других людей. Но в последнее время и в этой области намечается серьезный технологический прогресс.
В отличие от вкуса и осязания, требующих непосредственного контакта рецепторов с объектом, слух и обоняние полагаются на распространение аналита в воздушной среде (водной – для ее обитателей). Поэтому для эффективного распространения вещество должно быть относительно легко летучим – то есть, либо испаряться при условно-комнатной температуре, либо возгоняться, смешиваясь с воздухом и уносясь конвекционными потоками. По сути, запах – это исключительно человеческое название концентрации какого-либо вещества в воздухе. И на первый взгляд, задача измерения концентрации веществ в газовой среде уже давно решена – и в науке, и в промышленности вовсю работают методы газовой хроматографии.
Анализ газов
Как и любой хроматограф вообще, газовый хроматограф основан на взаимодействии двух фаз – подвижной и неподвижной. Растворенные в потоке подвижной фазы вещества, по-разному взаимодействуя с неподвижной, могут разделяться между собой. Они отделяются друг от друга в пространстве, а учитывая непрерывность потока – и во времени (имеется в виду, отставая в потоке подвижной фазы сильнее или меньше относительно других).
Принцип хроматографии. В жидкостной хроматографии подвижным является поток растворителя (элюента), проходящего сквозь металлическую колонку с сорбентом. В газовой — поток газа проходит через длинные (до десятков метров эффективной длины) капилляры. Главной задачей является разделение веществ строго по одному – без этого невозможна идентификация и количественный анализ.
Хроматография – классический метод анализа, и газовая принципиально не отличается от жидкостной, распространенной в аналитической химии и биохимии: тот же узел ввода пробы, колонка с неподвижной фазой и блок детектора. Но хроматограф – сложный прибор для количественного анализа, с прецизионными деталями, высокими рабочими давлениями и большими габаритами. Он мало похож на нос – компактный, универсальный, не требующий подбора колонок и детекторов под конкретную задачу. К тому же носом мы совершаем качественный анализ состава воздушной среды, а не количественный, воспринимая интенсивность сигнала только в терминах «слабее-сильнее». Этого достаточно для движения по градиенту сигнала, например, для выслеживания добычи. И это отчасти упрощает архитектуру, но заметно усложняет анализ. Очень многое здесь ложится на ассоциативную память, ведь в отличие от химика-аналитика с хроматографом животное не смотрит в справочнике, как выглядит на экране хроматографа сигнал от пищи или горящего леса. Поэтому ключ к эффективному использованию носа – развитой мозг.
Принципиальная схема
Настоящий нос не делит предварительно газовую смесь на компоненты, а наоборот – одновременно получает информацию от нескольких типов рецепторов, анализируя ее сразу, а не по мере разделения на дискретные сигналы.
Схема обонятельной системы человека. Попадая в носовую полость, молекулы вещества взаимодействуют с окончаниями нейронов. Преобразованные в нервный импульс запахи поднимаются в обонятельные луковицы, и оттуда – в другие отделы мозга (показано красными стрелками).
У людей акт обоняния происходит следующим образом. Молекулы веществ, растворенных в воздухе, вместе со вдохом попадают в носовую полость, оседая на обонятельном эпителии в верхней части носового хода. Взаимодействуя с рецепторами на окончаниях обонятельных нейронов, эти молекулы возбуждают нервный импульс, который передается по аксонам вверх через решетчатую кость к телам обонятельных нейронов в отделе мозга, называемом обонятельными луковицами. Оттуда сигнал попадает в области амигдалы, гиппокампа и передней коры, соответственно отвечающие за эмоциональную реакцию, память и когнитивную обработку. Обонятельный путь – единственный из сенсорных, который сразу ведет в области, отвечающие за память и эмоции, минуя таламус – главный «коммутатор» сенсорной нервной системы. Очевидно, физиологический смысл этого заключается в создании непосредственных сильных ассоциаций запахов со съедобностью, опасностью и жизненным опытом.
После этого следует эффективная обработка сигнала головным мозгом – ведь существует несколько сотен типов обонятельных рецепторов, которые могут создавать огромное разнообразие ощущений. А если рассмотреть мозг упомянутых грызунов, то видно, насколько велики их обонятельные луковицы, и сколько нейронов заняты в первичном получении и обработке сигнала. Увы, нейросеть человека и животных является для нас черным ящиком, но это не мешает создать и обучить для решения сходной задачи компьютерные нейронные сети.
Кроме того, нам поможет принцип разделения труда. Мы можем не конструировать универсальный нос, а ограничивать применение конкретными задачами (например, поиск угарного газа или определение момента созревания фруктов), для каждого устройства сужая спектр требуемых сенсоров и существенно упрощая анализ полученных сигналов.
Сравнительная схема биологического и электронного носа. Основные элементы и принципы заимствованы у природы, запах воспринимается «как есть», и основная сложность в расшифровке сигнала ложится на живую или искусственную нейросеть.
Принципиальным компонентом является сенсор, для которого нужен материал, превращающий межмолекулярное взаимодействие в электрический сигнал. Таким материалом являются полупроводники на основе оксидов металлов, а также углеродно-полимерные композитные материалы. Кроме этого, материаловеды пробуют удешевлять технологию, делая различные полимерные покрытия на поверхности кристаллов т. н. кварцевых микровесов – микроскопических кристаллов кварца, чья резонансная частота меняется при попадании на их поверхность дополнительной массы (например, частиц пахнущего вещества, имеющих определенное сродство к ранее нанесенной полимерной пленке).
Область применения
В первую очередь, это пищевая промышленность , проверка качества и определения зараженности патогенными микроорганизмами разнообразных культур и продуктов – созревающих оливок и плодов боярышника, молока и помидоров, для определения состава соков из различных фруктов, сортов сыра, качества чая.Важно, что в ближайшее время станет понятно, оправдается ли ажиотаж на эту технологию, и действительно ли в скором времени на пищевых комбинатах и складах массово появится новый вид контроля качества, опирающийся на то, что не в силах обнаружить человек – запах ранних стадий порчи продукта или размножающегося патогена.
Другой, еще более важной областью применения электронных носов стала неинвазивная медицинская диагностика.Причем диагностическую ценность метода удалось улучшить, просто усовершенствовав обработку данных нейросетями, а не поиском дополнительных веществ-биомаркеров болезни, которые мог бы засечь электронный нос.
Вопросы:
Что такое хроматография?
- Классический метод анализа, и газовая принципиально не отличается от жидкостной, распространенной в аналитической химии и биохимии: тот же узел ввода пробы, колонка с неподвижной фазой и блок детектора
- Замена утраченных или необратимо повреждённых частей тела искусственными заменителями - протезами.
- Ощущение запаха, способность определять запах веществ, разновидность хеморецепции. У позвоночных органом обоняния является обонятельный эпителий, расположенный в носовой полости на верхней носовой раковине.
В каких областях применяют?
- Пищевая промышленность и медицинская диагностика
- В бытовой практике
- Логистика и комуникабельность
На каких фазах основан хроматограф?
- Подвижной и не подвижной
- Мертвой и живой
- Холодной и горячей
Воспроизведите схему работы электронного носа?
- Камера прибора>Электронные сенсоры>Цифровой сигнал>Нейронная сеть -ПК>Мышь>Монитор>Изображение -Z>X>C>Q>W>E>R>ULT>RAMPAGE