Аналитические возможности систем искусственного обоняния и вкуса. Часть 1. "Электронные носы"

(человеческое) обоняние для идентификации

За сравнительно небольшой период времени системы искусственного обоняния, основанные на идее о том, что массивы газовых сенсоров могут имитировать естественное и распознавания запахов, прошли эволюцию от простейших химических сенсоров до создания и применения мультисенсорных систем электронного типа. Исследования в области

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

«электронный нос» (ЭН) ведутся не менее 50 лет и достигли значительного прогресса. Более 40 лет основными сферами применения систем искусственного обоняния были пищевые технологии, безопасность и экология. Создание новых материалов, развитие IT-технологий, миниатюризация аналитических приборов открывают новые возможности и для мульти-сенсорных систем.

Цель исследования – систематизация и установление приоритетных актуальных направлений исследования с применением систем «электронный нос».

Материалы и методы

Наиболее эффективным приемом решения задач анализа публикаций, новых направлений исследования и технического развития по выбранному направлению является систематический поиск по сочетанию слов. Для поиска применяются открытые системы накопления научной и технической информации как российские, так и зарубежные (eLIBRARY, базы Роспатента, Elsevier и др.) В качестве ключевых слов выбраны «мультисенсорные системы», «анализ, сенсоры, электронный нос, пищевые продукты, экологический мониторинг, технологические процессы». Поиск по отдельным ключевым словам неэффективен, хотя и наиболее полный. Однако приводит к накоплению повторяющихся публикаций, не относящихся к теме поиска. Поэтому наиболее эффективен подход «зонтичного» поиска, который проводится по словосочетаниям или предложениям, например, «сенсоры в анализе пищи», «электронный нос в экомониторинге» и т. д. Такой подход практически исключает повторы, позволяет получить более соответствующий цели материал, уменьшить ссылки на информацию из других направлений исследования. Проведен поиск и систематизация публикаций в открытой печати за период 2009–2018 гг. по разработке и применению сенсорных систем типа ЭН для определения органических и неорганических соединения в различных объектах: пищевых продуктах, фармацевтических и парфюмерных препаратах, биологических образцах, объектах окружающей среды, а также высокотоксичных газовых выбросах.

Результаты и их обсуждение

«Электронный нос» – это мультисенсор-ная система, сочетающая массив селективных / неселективных сенсоров, характеризующихся «перекрестной» чувствительностью и «обученных» для распознавания образов широкого набора анализируемых смесей паров и газов. Современные устройства «электронный нос»

могут обеспечить селективные детектирования отдельных газов с предельно низкими концентрациями при наличии набора неселективных сенсоров, что отличает их от традиционных сенсорных систем [1]. Первые существенные изменения как самих приборов, так и сфер их применения связаны с развитием нанотехнологий. Реализация систем типа ЭН возможна благодаря современным технологиям наноэлектроники и создания наноматериалов: нанопроволокон, нанотрубок как элементов преобразователя, обеспечивающих высокую чувствительность био/химсенсоров. Нанотехнологии служат инструментом для создания новых сенсорных материалов, а развитие печатных технологий позволяет производить дешевые, тонкие, прозрачные, легкодеформируемые, биосовместимые и даже растворяющиеся со временем электронные устройства для мониторинга внешних воздействий и обработки полученной информации [2]. Развиваются и подходы для обработки аналитического сигнала. Для этого используются методы обработки многопараметрической информации: частичных наименьших квадратов, анализ главных компонент, регрессия главных компонент, искусственные нейронные сети (ИНС), хемометрические методы и другие варианты распознавания образцов. Подбор программного обеспечения для обработки данных сенсорной системы типа «электронный нос» способствует получению высокоточных результатов.

Наиболее часто в ЭН используются следующие типы сенсоров: металлооксидные, пьезокварцевые кристаллические, поверхностные акустические волновые, оптические сенсоры, а также сенсоры на основе проводящих полимеров, работающие на различных физических принципах – электропроводность, приращение массы, флуоресценция и др.

В обзоре [3] большое внимание уделено сравнению принципов работы сенсорных систем типа «электронный нос» в анализе жидких и газовых сред с традиционными методами химического анализа (хроматографического, кондуктометрического, потенциометрического, органолептического). В статье анализируются аналитические возможности определения токсичных веществ в воздушной среде при их малой концентрации методом мультисенсорной инверсионной вольтамперометрии в формате «электронный нос». Преимуществами сенсорного анализа типа «электронный нос» является высокая стабильность рабочих характеристик сенсоров, минимальное количество стадий аналитического процесса, малое время проведения анализа, что важно для обеспечения режима мониторинга.

Характеристика «электронного носа» во многом зависит от сенсорной части устройства. Используют различные способы детекции газов. Наиболее чувствительными сенсорами сорбционного типа в системах «электронный нос» являются пьезокварцовые высокочастотные микровесы с пределом детектирования 10-15 г. Такие ЭН пьезосорбционного типа нашли применение в анализе проб сложного переменного состава. В обзоре [4] рассмотрен метод обнаружения ионов наиболее распространенных тяжелых металлов с помощью оптических молекулярных детекторов.

За последние 10 лет в электронных каталогах научных статей было издано более 4000 публикаций с ключевым словосочетанием ЭН, которые используются во многих областях, но необходимо подчеркнуть важность по основным сферам их применения (рисунок 1).

Medicine|Food control|Environment|Agriculture|Science

Рисунок 1. Области и частота применения мультисенсорных систем типа «электронный нос», % Figure 1. Areas and frequency of application of Multisensor systems such as "electronic nose", %

Рассмотрим особенности применения ЭН в указанный период. Применяют газовые муль-тисенсорные системы для изучения свойств тонких пленок и материалов, адсорбции [5] высокой чувствительностью прямого взвешивания сорбатов. Доказано, что сенсорные структуры на основе тонких пленок диоксида олова обладают высокой газочувствительностью и совокупностью параметров (быстродействие, стабильность характеристик, долговечность и др.), обеспечивающей возможность их практического применения в составе газоанализирующих приборов и системах распознавания сложных газовых смесей типа «электронный нос» [6].

Традиционно большое внимание системы «электронный нос» уделяют для решения задач анализа пищевых продуктов. Активно применяют промышленные «электронные носы» марок FOX400 [7], GFR [8] и MAG-8 для решения задач установления порчи молока, мяса [9], анализа свежести круп [10], оценки качества вина [11], пива [12], определения сортовой принадлежности чая, кофе [13], масел [14], в фармацевтической промышленности, для анализа объектов окружающей среды и экологической безопасности [15], в сельском хозяйстве. В приведенных публикациях рассмотрено применение массивов сенсоров типа «электронный нос» для определения органических и неорганических соединений. Так, в работе [16] использовался массив из 8 сенсоров, модифицированный тонкими пленками сорбентов с различной полярностью и перекрестной чувствительностью к определяемым соединениям. В работе [17] проводили определение синтетических красителей с помощью пьезоэлектрических сенсоров на основе полимеров с молекулярными отпечатками (ПМО). Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением со стандартными методиками (спектрофотометрия, тонкослойная хроматография) [17], традиционной органолептической оценкой [18].

По-прежнему приоритетной областью применения ЭН остается анализ пищевых продуктов, однако значительный интерес к этим системам проявляется в области медицины. За последние 10 лет произошел значительный прорыв в применении ЭН в медицине, что отражает динамика публикационной активности по этой тематике (рисунок 2).

Рисунок 2. Применение ЭН в медицинской практике с 2009 по 2018 гг.

Figure 2. Using EN in medical practice.2009–2018

Задачи, которые решаются в медицине с помощью мультисенсорных систем, в основном предполагают диагностические решения. На рисунке 3 показана эффективность применения таких систем в медицинской практике.

• •    Гинекология Gynecology'

• ■    Стоматология Dentistry

• •    Пульмонология Pulmonology' Фтизиатрия Phthisiology'

• ■    Отоларингология Otolaryngology

• ■    Офтальмология Ophthalmology

• ■    Инфекционные болезни Infectious diseases

• ■    Лабораторная диагностика Laboratory' diagnostics

• ■    Кардиология Cardiology

• ■    Онкология

• ■    Гастроэнтерология Gastroenterology

• ■    Иммунология Immunology

• ■    Эндокринология Endocrinology'

• ■    Наркология Narcology

• • Психиатрия Psychiatry Педиатрия Pediatrics

Рисунок 3. Основные медицинские специальности, в которых применяется ЭН

Figure 3. The main medical specialties in which EN is applied

Наиболее перспективным направлением является внедрение в медицинскую практику современной и качественной диагностики заболеваний, которая является основой грамотного высококвалифицированного подхода к последующему лечению пациентов различного нозологического профиля [19]. Следует отметить, что инфекционные заболевания, злокачественные новообразования часто ассоциированы с метаболическими изменениями в организме, поэтому развиваются неинвазивные методы экспресс-диагностики и создаются портативные подручные диагностические аппараты для практикующих врачей [20].

В настоящее время с помощью анализа выдыхаемого воздуха можно диагностировать заболевания бронхолегочной системы (ХОБЛ, бронхиальная астма), пищеварительной системы (гепатит, цирроз печени, колит), проводить неинвазивный контроль состояния здоровья и работоспособности человека, скрининг заболеваний по биопробам образцов сыворотки крови, заболеваний ИППП по составу равновесной газовой фазы над цервикальной слизью в формате «электронный нос».

Заключение

Сенсорная техника направлена не только на замену традиционных аналитических методов, но и раскрывает перспективы создания устройств для экспресс-метода определения компонентов в режиме реального времени. «Электронные носы» развиваются несмотря на скепсис и не понимание со стороны традиционных методов газового анализа. Наиболее широко системы с искусственным интеллектом применяются для решения задач пищевого анализа. Возросший интерес в последние 5 лет к этим системам и приборам проявляет медицинская диагностика, что связано с экономичностью, доступностью, возможностью неинвазивной диагностики. Особенно актуальны разработки в педиатрии: экспрессивность и точность измерения низких концентраций биомаркеров. Перспективными являются решения проблем идентификации запахов и строение «электронного носа» на базе нейронных сетей, а также расширение аналитических возможностей гибридных сенсорных массивов. Дальнейшее развитие направления по формированию интегрального «образа» объекта – получение информации об образце по некоторой части его свойств, с применением системы детекторов неселективных, перекрестно чувствительных к некоторым компонентам пробы.