InfoMat: 基于化学电阻式材料的人造电子鼻系统的研究综述与展望

嗅觉是人类的五种主要感官之一(视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉)。味觉和嗅觉主要用于检测味道。然而,嗅觉是检测和辨别不同气体味道的主要因素。人工嗅觉是一种仿生嗅觉系统,它可以通过诊断疾病和监测日常生活中的空气质量来避免在危险空气环境中工作或提高生活质量。近年来,电子鼻已被开发并具有广阔的应用前景,如室内空气质量监测、医疗、海关安全、食品质量控制、环境质量监测、军事应用和有害气体检测。电子鼻的识别原理并不是基于高度特异性的受体,如传统的化学传感的“锁和钥匙”分子识别方法,而是与嗅觉和大脑相类似的分布模式处理方法。更恰当地说,它可以被描述为一个“模仿哺乳动物嗅觉的智能化学传感器阵列系统”。通过分析材料的电阻变化,可以对气体的类型进行分类。电子鼻的目的是通过应用于传感器阵列的各种材料,利用独特的模式识别法来确定气体的类型。 如图1所示,电子鼻的主要组件包括化学传感器阵列、电子电路和数据分析软件。然而不同于其它人造五官,例如人工视觉、人工触觉等,电子鼻由于检测气体种类繁多并且浓度差异大、传感器灵敏度低以及环境干扰大等问题,小型廉价便携式电子鼻的生产仍处于发展阶段。

哺乳动物嗅觉系统与电子鼻系统的比较

近日,韩国首尔国立大学Ho Won Jang课题组在Wiley综合期刊InfoMat上发表了综述性文章,总结了近些年化学电阻式材料在人造电子鼻系统领域研究工作所取得的重大突破和进展,并对该领域未来的研究热点进行了预测与分析。该综述总结了基于化学电阻式阵列传感器的电子鼻传感材料及其传感机理。利用气体传感器阵列的基础研究解释了电子鼻的实际应用,并说明了实现其商业产品化的具体方法。此外,还讨论了传感器阵列制造中的一些关键挑战,如选择性、灵敏度、可靠性和低功耗。尽管目前气体传感阵列及相关人造电子鼻的研究已经取得较大进展,但仍然存在诸多技术障碍限制了电子鼻的全面推广与应用。基于目前所面临的问题,最后作者还对人造电子鼻系统的设计与发展阐述了自己的意见。相关论文发表于近期的 InfoMat.(DOI: 10.1002/inf2.12029)。