电子鼻可以快速、准确地“发现”有害的挥发性化合物

想想这,没有便宜的,家庭设备,可以告诉你牛奶坏了的速度比你的鼻子。吸一口你知道牛奶已经变质。人类创造了技术,让我们看到遥远的恒星和单个原子,但当涉及到味道,鼻子还会知道最好的。

便携式传感器,模拟嗅觉系统,称为“电子鼻”,可以用来识别空气中挥发性化合物。然而,这些设备没有广泛使用,因为他们可以大到目前为止,有复杂的制造,只能有一个或几个化合物,或者不准确。有毒的泄漏,如火车出轨在东巴勒斯坦,俄亥俄州的二月,强调需要携带和便宜的传感器,能够快速、准确地识别现场挥发性化合物。

现在,领导的一个研究小组哈佛大学约翰·a·保尔森工程和应用科学学院(海洋),介绍了一种低电子鼻能够快速、准确地发现的挥发性化合物,如无处不在的挥发性有机化合物(挥发性有机化合物的仪器)。传感器是首次展示两个被动和主动传感与单个传感器和使用机器学习识别一系列的分子和它们的混合物。

“独特的我们的方法,我们的传感器实现生物启发“嗅探”。inhale-exhale序列的生成模式,模仿关键气味歧视机制使用的生物体,其中包括不仅化学传感动态质量输运过程,”说乔安娜Aizenberg材料科学教授,史密斯艾米Berylson海洋化学与化学生物学教授、该研究的第一作者。“我们的结果表明,这种独特的功能大大增强检测能力的人工鼻子,广泛应用于疾病诊断分析仪,空气质量监测和危险废物,或检测食物腐败。”

这项研究发表在美国国家科学院院刊》上。

挥发性有机化合物的仪器:良性的,致命的,挽救生命

VOCs是在空气中自然和人为来源。他们无处不在——用于从化妆品到家具和农业活动,发出汽车尾气,森林大火、工业过程和更多。挥发性有机化合物的仪器从良性到致命的,所以测量他们的存在,浓度,和身份是重要的室内和室外空气质量监测和危险废物。最近的研究还发现,测量呼吸和尿中可以检测到某些癌症在早期阶段。

今天,大多数用于识别和量化空气中挥发性有机化合物的仪器设备依赖于精密仪器笨重,需要专家来操作和解释。研究人员正在开发电子鼻作为便携、实用、可靠、易读的替代品。

而不是试图模仿的数百万个人受体的鼻子——从而导致笨重而且很难制造设备——Aizenberg和她的团队使用一个传感器来检测分子的光学性质,构成不同的挥发性有机化合物的仪器。

传感器的交替层二氧化硅和二氧化钛纳米颗粒细小的毛孔。传感器坐落在一个小玻璃盒子中添加少量的液体含有挥发性有机化合物的仪器。随着液体蒸发,传感器的气体进入毛孔,吸附和凝聚。这些过程发生,每个传感器层的折射率增加,导致传感器的颜色改变。

“问题是,不同气体的折射率非常相似。这意味着传感器的颜色看起来几乎相同的一个实验,不管您使用天然气,“co-first Ida Pavlichenko表示,该论文的作者之一,项目发起人在Aizenberg博士后期间的实验室。

然而,团队意识到改变传感器的不同化合物折射率不同的发展随着时间的推移,产生一种为每个VOC动态光谱指纹。

“所有进程的利率——从液滴的形成底部的蒸发室,通过室上升,到达传感器,依赖于独特的微观分子之间的力量存在,”安娜说诉Shneidman Aizenberg实验室的研究助理和co-first该论文的作者之一。“因此,传感器颜色的变化随着时间的推移会截然不同甚至非常相似的挥发性有机化合物的仪器,如五碳分子戊烷和8-carbon辛烷分子。”

团队确定具体在每个化合物的动态反射光谱特性和使用这些功能训练的机器学习算法来识别特定的挥发性有机化合物的仪器,确定每个挥发性有机化合物的浓度在混合液体,和准确地预测物理性质的挥发性液体。

“机器学习提高的能力甚至这些简单的传感器做非凡的事情,“Shneidman说。

“在这项工作我们用一个简化的模型映射的气味的空间实验化学物种。与更大的数据集,我们将能够做更复杂的模型更好的歧视性的权力,”说迈克尔·p·布伦纳迈克尔·f·克罗宁海洋和应用数学、应用物理教授物理学教授,论文的合著者。

闻一闻

加快传感过程甚至为机器学习算法提供了丰富的数据,团队转向嗅探。

如果你曾经看过狗嗅东西在它的路径,你就会知道,狗雇佣两快,断奏的嗅探和吸入。

“狗和其他哺乳动物,包括人类,可以积极调整时间,速度,和深度的嗅探。行为观察,以及许多神经科学实验中,清楚地表明,大脑利用气味的动态感觉推断气味,”说马纳尔没吃Raymond狮子座,埃里克森分子和细胞生物学和生命科学教授Paul J芬尼根家族中心主任哈佛大学脑科学和论文的合著者。

研究人员发现,不同模式的嗅探也改变了分子与传感器交互。的扩散、吸收、凝结和解吸地吸入和呼出不同长度的变化。

“不同的嗅探和呼出,我们可以开始分辨化合物以前难以区分,“Haritosh Patel表示,博士生在海洋和co-first该论文的作者之一。“本质上,这些化合物的浓度显著不同。一种化合物可能需要更短的嗅探模式,这样你不要过度传感器,而在浓度非常小的场景中,您可能想要花费更长的时间呼吸传感器饱和。”

我们的工作是一个蓝图构建更有效和更便宜的电子鼻。

“大小,携带、易于制造的使我们的多功能传感器比许多商业传感器和适应范围广泛的化合物和气味,“Soeren布兰德说,海洋和co-first前研究生论文的作者。”与其他电子鼻相比,更容易制造、使用、重用和维护。我们的工作是一个蓝图构建更有效和更便宜的电子鼻。”

参考:Aizenberg J, Shneidman AV,布兰诺MP, et al。非平衡感应使用主动和被动的挥发性化合物分析物交付。Proc Nat科学。2023年。doi:

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