Мир нанотехнологий

Наносенсорная техника

Одним из перспективных направлений использования достижений нанотехнологий в системах безопасности является создание технических средств типа «Электронный нос», предназначенных для обнаружения сверх низких концентраций запрещенных к распространению веществ. Попытки понять природу запаха предпринимались человечеством на протяжении всего развития общества. Однако революционный прорыв в области обонятельных рецепторов и организации системы органов обоняния был сделан лишь в последнее время. За выдающиеся результаты исследований Ричард Эксел и Линда Бак получили в 2004 г. Нобелевскую премию в области медицины. Они открыли около 900 генов, которые связаны с таким же количеством обонятельных рецепторов, расположенных в верхней части носовой полости и содержащие около 50 млн первичных рецепторных клеток. Активированные клетки «передают сигналы» в гломулеры, а затем в митральные клетки обонятельной луковицы. Далее сигналы поступают в кору головного мозга, где информация от различных рецепторов собирается в конечный «отпечаток», соответствующий определенному запаху.

«Электронным носом» принято называть мультисенсорную систему распознавания компонентов газовых смесей. К ним относятся приборы, работающие на различных физических принципах, представленных в табл. 1, в частности портативные анализаторы подвижности ионов, портативные газовые хроматографы. Большинство приборов имеют стоимость от $20 тыс. до $100 тыс., при этом прогнозируется существенное снижение стоимости по мере совершенствования технологии изготовления самих сенсоров. До настоящего времени на рынке данной продукции практически отсутствуют портативные модели.

Классификация приборов типа "Электронный нос"

№	Тип сенсора	Принцип измерения	Способ изготовления
1	Металл-оксидный	Проводимость	Микроэлектроника
2	Проводящие полимеры	Проводимость	Технология микропечати
3	Пьезокристал. микровесы	Приращение массы	Технологии нанесения микропленок
4	Поверхностные акустические волны	Приращение массы	Технологии нанесения микропленок
5	Каталитические транзисторы	Измерение емкостных зарядов	Микроэлектронные технологии
6	Опто-электронные сенсоры	Флуоресценция, ИК-спектр, анализ микропленок	Точные технологии, нанесение красителей

В отличие от традиционных сенсорных систем, требующих высокоселективных чувствительных элементов, «электронный нос» использует набор низкоселективных сенсоров. Возможность реализации систем типа «электронный нос» опирается на развитые современные средства вычислительной техники и методы обработки многопараметрической информации.

Нанотехнологии позволяют расширить набор материалов, используемых для производства сенсоров, и получить рекордные характеристики. К их числу относятся нанокомпозиционные материалы, включающие наночастицы металлов, оксидов металлов, полимеры. Нанокомпозиционные материалы являются основой нового типа химических сенсоров, обладающих высокой чувствительностью и селективностью, быстрым обратимым адсорбционным откликом и работающие при комнатной температуре. Совокупность нанокомпозиционных материалов с различным химическим составом является одной из перспективных систем для создания «Электронного носа».

Наносенсорная нейроподобная система «Электронный нос» включает в себя следующие компоненты:

матрицу высокочувствительных полупроводниковых сенсоров;
анализаторов состава газовой фазы. Сенсоры в матрице должны различаться по своим основным параметрам (чувствительность, селективность), число их может колебаться от единиц до нескольких десятков в зависимости от назначения и технических возможностей обработки сигнала. В качестве чувствительных элементов мультисенсорной системы предполагается использовать полимерные нанокомпозиты и наноструктурированные материалы, которые по-разному меняют свою электропроводность под воздействием различных веществ;
систему пробоотбора для доставки газовой пробы из анализируемого воздушного объема к сенсорной матрице. В систему пробоотбора входит система регенерации, предназначенная для восстановления работоспособности сенсорной матрицы после воздействия на нее активных компонентов воздушной среды;
аналоговый адаптер для поддержания режимов работы сенсоров в матрице и преобразования выходного сигнала сенсоров в цифровой код;
цифровой контроллер для предварительной обработки сигнала сенсоров и организации стандартного интерфейса для связи с компьютером;
компьютер с программным обеспечением для распознавания образов.

Основная особенность данной разработки состоит в использовании нового поколения химических сенсоров, основанных на наногетерогенных тонкопленочных композитах. Эти материалы сочетают в себе свойства, характерные для наночастиц со свойствами оксидных сенсоров, выполненных по планарной технологии. Такой подход соответствует современным тенденциям в конструировании SMART-материалов, т.е. материалов, проявляющих сильное, быстрое и обратимое изменение своих характеристик при малом внешнем воздействии.

По совокупности основных потребительских качеств (чувствительность 10-14 г/см-3, время анализа 1-2 с, масса 0,5-2 кг и цена 15-300 тыс. руб.) рассматриваемая система «Электронный нос» - значительно лучше отечественных и зарубежных аналогов, благодаря использованию оригинальной нанотехнологий получения чувствительного элемента, защищенной патентом, и программному обеспечению, являющемуся ноу-хау.

Наносенсорная нейроподобная система «Электронный нос» предназначена для обнаружения в реальном масштабе времени сверхнизких концентраций широкого класса веществ, например для анализа запахов различных веществ, обнаружения паров токсичных летучих органических соединений, взрывчатых веществ, наркотиков и т.п. На рис. 4 в качестве примера приведены диаграммы табака и марихуаны

Рассматриваемая система в ближайшие 3-10 лет может стать ключевым направлением развития индустрии безопасности. Она имеет широкий спектр применения и открывает новые возможности для существенного повышения (в десятки раз) тактико-технических характеристик систем безопасности. По своей сути варианты ее исполнения являются инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности. Сферы и прогнозируемые доли применения системы «Электронный нос» приведены на диаграмме:

медицина (диагностика заболеваний по запаху дыхания и выделений, обнаружение возбудителей инфекций по дыханию, определение уровня алкоголя и наркотиков в крови и т.п.);
экология (контроль состояния атмосферы, вредных выбросов на промышленных предприятиях, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и т.п.);
безопасность (обнаружение взрывчатых веществ, ядов, наркотиков, системы ранней пожарной сигнализации, датчики охранной сигнализации, системы обнаружения оружия массового поражения и т.п.);
сельское хозяйство (определение качества сельхозпродукции, производство кормов для животных, ускоренная селекция и т.п.);
контроль продуктов в пищевой, ликеро-водочной, табачной промышленности;
наука (быстрый анализ белковых смесей в генной инженерии, идентификация растений и животных в биологии и т.п.);
машиностроение (системы самодиагностики приборов по внутренним запахам, сенсоры промышленной и потребительской робототехники т.п.);
добывающая промышленность (анализ паров нефти и газа для поиска и мониторинга месторождений, быстрая идентификация минералов и т.п.);
бытовая техника (потребительский контроль, определение степени готовности продукта в микроволновых печах и духовках, роботы-пылесосы и дезинфекторы и т.п.).

Более подробно рассмотрим сферы применения «Электронного носа» в задачах обеспечения безопасности объектов и населения.

Системы обеспечения безопасности города. В последние годы Правительством Москвы принят ряд городских программ («Мой двор - мой подъезд», «Безопасность москвичей»), направленных на обеспечение безопасности объектов жилого сектора и населения. Одним из направлений реализации этих программ является создание и внедрение районных систем обеспечения безопасности, предусмотренных Распоряжением Правительства Москвы от 02.09.03 г. №1569-РП в рамках создания системы обеспечения безопасности города. Типовой районный комплекс состоит из телевизионной системы видеомониторинга подъездов домов жилого сектора, системы экстренной связи, автоматизированной системы оперативно-диспетчерской службы и районного центра безопасности населения и оперативно-диспетчерского управления. Такой программно-аппаратный комплекс позволяет осуществлять его дальнейшее развитие и имеет возможность принять дополнительную информацию, в т.ч. от систем экологической безопасности промышленных предприятий и экологически проблемных объектов, расположенных на территории района

КАРЛИК НАНОС

Наносенсорная техника

Экологический мониторинг