6 Мультисенсорні матриці

Обробка результатів численних вимірювань окремих хімічних сенсорів і ряду незалежних датчиків може надати інформацію, необхідну для зменшення статистичних помилок і поліпшення як селективності, так і чутливості хімічних сенсорів [75] або хімічних вимірювальних приладів. Оскільки похибка вимірювання є сумою систематичних помилок і випадкових помилок, то похибка вимірювання окремого датчика може бути статистично зменшена за допомогою безлічі проб з використанням статистики для зменшення або усунення випадкових помилок [76]. Частково надлишкова дискретизація може забезпечити достатньо даних для зменшення виміряного стандартного відхилення на коефіцієнт 1/√ n, де n-число надлишкових проб. Надлишкові вибірки можуть забезпечуватись тим же самим датчиком або декількома датчиками того ж типу, для подальшого забезпечення найкращого відгуку [78]. Однак, цей метод корисний у разі випадкової помилки, але не є ефективним при систематичних похибах.

Відгуки від декількох незалежних датчиків різних типів можуть бути об'єднані (так званими сенсорними масивами), щоб забезпечити підсилення відгуків, що перекриваються і які краще охоплюють простір відгуків датчиків, залишаючи прогалини там, де ідентифікація аналізованої речовини буде слабкою або недоступною.

7. Електронні прилади запаху і смаку

Два основних відчуттів людей, запах і смак грають дуже важливу роль у повсякденному житті для розпізнавання умов навколишнього середовища. Були проведені численні дослідження і розроблені електронні датчики запаху і смаку (електронні носи і електронні язики) внаслідок їх потенційно широкого комерційного застосування. Вони дуже корисні в харчовій промисловості, охороні навколишнього середовища, медицині, у військовій справі, і в інших областях.

Здатність виявлення цими системами в основному залежить від здатності чутливих матеріалів поглинати або реагувати зі специфічними запахами й іонами. Хоча був досягнутий певний прогрес, електронні носи і електронні язики мають ще суттєві обмеження в чутливості і специфічності, у порівнянні з біологічним ототожненням

____

⁶ Див главу Термічні сенсори

специфічних запахів і смаків, з нюховими і смаковими рецепторними клітинами. Природна нюхова система дає можливість виявити невеликі молекули в повітрі при концентраціях від декількох частин на трильйон і виділяти їх серед незліченної кількості різних сполук. У ссавців пахучі молекули в повітрі надходять в ніздрі і зв'язуються з сенсорними нейронами в носі, які перетворюють хімічну взаємодію в електричний сигнал, який мозок інтерпретує як запах. Дивовижні властивості нюхового і смакового детектування є наслідком наявності численних рецепторів, які є чутливими нейронними клітинами і подальшою нейрональною обробкою їх сигналів. Кожен окремий нейрон може зв'язуватися з кількома різними молекулами та іонами, з різною спорідненістю і специфікою, хоча деякі рецептори обмежені набором кількох хімічно споріднених сполук. У людей існує близько 350 видів сенсорних нейронів і безліч їх варіацій. Тварини, такі як собаки мають у сто разів більше сенсорних нейронів, ніж люди. Процес нюхового сприйняття починається, коли летючі з'єднання наближаються (через дихальні потоки повітря) до носових нейроепітелій, де розміщені мільйони різних нюхових сенсорних клітин. Рис. 24 показує спрощену схему нюхового нейрона. Сприйняття відбувається в крихітних волосоподібних виступах (віях) рецепторних клітин. Вії покриті слизом, яка захоплює молекули одоранту. Молекулярні властивості пахучих речовин, які забезпечують сенсорні властивості: низька розчинність у воді, високий тиск парів, низька полярність, здатність розчинятися в жирі (липофильность) і поверхнева активність. Електричний відгук клітинного рецептора передається через аксон до наступного рівня обробки сигналів.

Майже всі хімічні датчики мають відносно короткий термін життя через забруднення чутливого елемента.

Рис. 24 Нюховий нейрон

Природа вирішила цю проблему за рахунок частої регенерації всіх нюхових нейронів, які замінюються приблизно кожні 40 днів у людини, і в дуже рідкісному випадку за рахунок регенерації нерва.

На відміну від традиційних хімічних датчиків, рецептори в носових порожнинах ссавці не виявляють окремі хімічні речовин вибірково, але використовують тисячі частково селективних рецепторів, які поглинають хімічні речовини, що вдихаються. Кожен частково селективний рецептор може відгукуватися на специфічний одорант сильно, слабко або зовсім не відгукуватися, в результаті чого формується чітка картина, яка направляється в мозок для інтерпретації. Мозок визначає, чи був цей зразок "запаху" виявлений раніше (навчання і пам'ять) і асоціює хімічну речовину зі специфічним запахом. Таким чином, різні аналізовані речовини дають мозку різні моделі, і ці моделі визначають сприйняття запаху. Слід підкреслити, що визначення виду одоранту, це не завдання для будь-якого конкретного "​​нюхового датчика". Відчуття запаху чи смаку і його визначення здійснюються шляхом залучення набагато більш складної системи (головного мозку), в якій датчик є невід'ємною її частиною. Ніс і язик є не просто датчиками, а скоріше є продовженням мозку. Визначення запаху чи смаку, це послідовний процес, де ідентифікація молекул поступово звужує вибір за допомогою пошарового алгоритму розпізнавання образів - від грубої до точної ідентифікації молекули одоранту. Як правило, розпізнавання відбувається швидше і з більшою чутливістю для більш складних з'єднань. Наприклад, є помітна закономірність у значеннях чутливості для вуглеводневих ланцюгів (алканолов), таких як метанол, етанол, пропанол, бутанол, і пентанол. І так як довжина ланцюга збільшується, збільшується і чутливість [78]. Для ланцюга з восьми атомів вуглецю (октанола), чутливість людини становить близько 10 ppb (частин на мільярд), а для одного атома вуглецю (метанолу) - 1 ppt (частин на тисячу).

Відчуття смаку також ініціюється взаємодією смаку з рецепторними та іонними каналами в апікальних мікроворсинках смакових рецепторних клітин, коли смакові молекули розчиняються в слині [79]. Згодом, через клітинні сигнальні шляхи, смакові сигнали поступають в мозк, і який об'єднує і аналізує ці сигнали. Використання нюхових і смакових клітин, як чутливого матеріалу для розробки чіпа біоелектронного носа або язика є однією з незалежних тенденцій в наукових дослідженнях і розробках електронних носів і електронних язиків.

Подібно до того, як багато людей виявляють і запам'ятовують багато різних запахів і смаків, а потім використовують ці знання для узагальненого сприйняття того, з чим вони раніше не стикалися, е - носи і е - язики також повинні бути навчені розпізнавати характерні риси різних запахів хімічних речовин перш ніж вони зможуть впоратися з невідомими. Нинішньою тенденцією є біонічний підхід, заснований на комбінації багатьох датчиків і сигналів обробки за допомогою нейронних мереж або їх комп'ютерних аналогів. Основною ідеєю є використання багатьох датчиків різних типів і обробку даних таким чином, щоб нагадувати обробку даних живого мозку [80]. Електронні носи і язики по суті є менше датчиками або інструментами, а більше стратегією вимірювання.

Компонентами електронних носів і електронних язиків є пристрої, що складаються з багатьох схожих, але різних чутливих елементів. Цей мультисенсорний підхід був успішно здійснений на NIST⁷. Технологія, розроблена в NIST [81, 82, 83], базується на взаємодії хімічних речовин і напівпровідникових чутливих матеріалів, розташованих зверху на платформі MEMS мікронагрівача.

Рис . 25 Вид зверху одного елемента хімічного датчика (а); розширена схема важливих

компонентів мікросенсорного пристрою (б); масив мікродатчика з 16 елементів (с); і сканування за допомогою електронного мікроскопа зразків різних хімічно чутливих плівок, нанесених на плоский мікронагрівач - платформу датчика, і (d) - зображення підвищеної яскравості в різних масштабах, щоб виділити наноструктуру і морфологію кожної плівки: (а) полікристалічні метал - оксидні плівки отримані хімічним осадженням з парової фази. Тут показаний оксид олова ( SnO₂), окис титану (TiO₂), TiO₂ нашарування на SnO₂, а також був використаний рутеній (Ru), нанесений на TiO₂. (b) мезопориста плівка TiO₂, нанесена крапельним покриттям. (с) крапельне покриття оболонки Sb: SnO₂. (d) наноструктурований провідний полімер, нанесений електрофорезом (тут, колоїдний oліанілін). Фото д-ра Steve Semancik, NIST (stephen.semancik @ nist.gov).

_______

⁷ Національний інститут стандартів і технологій, США. www.nist.gov

Електронний ніс NIST складався з восьми типів датчиків у вигляді метал-оксидних плівок, нанесених на поверхні 16 мікронагрівачів, з двома екземплярами кожного матеріалу (рис. 25). Резистор з полікристалічного кремнію був використаний для нагрівання. Часова постійна термічного нагрівача складала пару мілісекунд. Хімічно чутливі плівки наносилися на верхню частину нагрівача: оксиду олова ( SnO₂), оксиду олова, покритого оксидом титану (SnO₂/TiO₂), оксиду титану (TiO₂), та оксиду титану, покритого оксидом рутенію (TiO₂/RuO_x). Відомо, що ці оксиди, піддаючись хімічній взаємодії з певними газами, починаючи від поверхневого проміжного окислення аналізованої газоподібної речовини, до переносу заряду від аналізованої речовини внаслідок хемосорбції. Точний контроль окремих нагрівальних елементів дозволив трактувати кожну з чутливих плівок у якості набору "віртуальних" датчиків з 350 кроком температур від 150 і 500⁰C, збільшуючи кількість датчиків приблизно до 5600. Поєднання чутливих плівок і можливості змінювати температуру дозволило цьому пристрою бути повним аналітичним

еквівалентом сенсорних нейронів носа.