电子鼻/人工嗅觉进展综述:器件、应用与算法

由于电子鼻(electronic noses)/人工嗅觉(artificial olfaction)在模拟人类嗅觉器官精确识别气体种类和浓度方面的潜力,自开展研发以来一直受到科学界和工业界的广泛关注。目前在环境监测、疾病诊断、公共安全、机器人、农业生产和食品工程领域具有广阔的应用前景。然而,与日臻成熟的人工视觉(光的波长与亮度的空间分布)、人工听觉(音高、音量和音色)、人工触觉(应力、应变等)不同,电子鼻/人工嗅觉由于待测气体通常具有所含气体种类复杂且浓度差异大、传感器输出信号(电阻/流或频率等)差别小等限制,在准确识别气味方面仍面临着巨大的挑战。

针对现状与未来发展,西安电子科技大学胡文文博士/吴巍炜副教授、中科院福建物构所姚明水博士、以色列理工学院Hossam Haick教授联合撰写了题为“Electronic Noses: from Advanced Materials to Sensors Aided with Data Processing”的综述文章,系统论述了用于人工嗅觉/电子鼻器件、应用及数据处理方面的进展,指明了该领域目前面临的难题与挑战,并提出了未来可能的发展方向和解决办法。首先,作者阐述了电子鼻在医疗、食品、环境、公共安全和农业方面的广泛应用和最新进展;然后总结了电子鼻中用于模拟嗅觉受体的基本构筑单元(气体传感器),包括化学电阻型、固态电化学型、场效应晶体管型(FET)、石英晶体微天平型(QCM)传感器的代表性工作;最后介绍了数据算法与传感器相结合用于气味识别的历史和现状。

作者深刻思考了电子鼻走向实际应用所面临的挑战,包括如何进一步提升灵敏度、选择性、气味准确模拟和同步测试,防止基线漂移、电子鼻微型化和降低功耗等系列问题。同时,作者指明了未来,如何克服上述困境可能行之有效的努力方向。相关论文发表于近期的 Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201800488)。