12.4. Оптические химические сенсоры
Оптические химические сенсоры являются одной из важнейших категорий химических сенсоров. В зависимости от типа оптических сенсоров их действие основано на следующих принципах:
·поглощение света (абсорбция);
·отражение первичного (падающего) светового потока;
·люминесценция.
При этом используются зависимости оптических свойств сред (коэффициентов преломления, отражения и др.) от концентраций определяемых веществ. Чаще всего оптические химические сенсоры классифицируются в зависимости от типа принципов их действия (датчик поглощения, датчик отражения, датчик люминесценции, комбинированный датчик и др.). В оптических химических сенсорах, работающих на физических принципах, аналитический сигнал обусловлен не химическим взаимодействием определяемого компонента с чувствительным слоем, который выполняет функцию преобразователя, а измеряемым физическим параметром – интенсивностью поглощения, отражения или люминесценции света и т. д.
Оптоволоконный сенсор обычно выполнен из кварцевого стекла, пластика или стекла и окружен оптическим изолятором – оболочкой, имеющей более низкий показатель преломления, чем сердцевина. Пластиковые и стеклянные волокна гораздо дешевле, чем волокна из кварцевого стекла. На практике используют как одиночные оптические волокна, так и пучки из многих оптических волокон. Оптические волокна позволяют осуществить передачу оптических сигналов на очень большие расстояния и идеальны дня тех случаев, когда объект анализа удален от исследователя. Их можно использовать в самых разнообразных оптических светочувствительных устройствах (проточные ячейки для непрерывного мониторинга, определения pH в живом организме).
Интегрально-оптические сенсоры являются наиболее перспективными среди оптических химических сенсоров. Принцип работы интегрально-оптических химических датчиков абсорбционного типа основан на регистрации изменения интенсивности лазерного излучения, распространяющегося через исследуемую газообразную или жидкую среду. Датчики на основе интегрально-оптических волноводов могут найти применение в биомедицинских, физико-химических и экологических исследованиях.
Оптические химические сенсоры обладают важными преимуществами: высокой чувствительностью, высокой скоростью отклика, возможностью бесконтактного обнаружения, высокой помехозащищенностью, нечувствительностью к электромагнитным и радиационным полям, способностью передавать аналитический сигнал без искажения на большие расстояния, удобством мультиплексирования сигналов, высокой плотностью передачи данных, стойкостью к вредным воздействиям окружающей среды, удобством применения интегральной технологии.
Основными недостатками оптических химических сенсоров являются достаточно высокая, хотя и селективная чувствительность к световым помехам, а также определенная подверженность влиянию температуры.
12.5. Интеллектуальные сенсорные системы («электронный нос» и «электронный язык»)
Решение задачи применения неспецифических (неселективных) сенсоров было заимствовано из биологии, в результате чего появились системы типа «электронный нос», «сенсоры вкуса» и «электронный язык». Они реализуют мультисенсорные системы на основе неселективных сенсоров с последующей обработкой результатов измерений методом распознавания образов с применением, например, искусственных нейронных сетей.
Устройство сенсорных систем «электронный нос» и «электронный язык» основано на принципах организации биологических систем – массивов неселективных рецепторов – с последующим распознаванием образов нейронной сетью головного мозга человека. Их можно рассматривать как специальную ветвь развития искусственного интеллекта и «электронного мозга». Образное представление о работе «электронного языка» дано на рисунке 12.1.
Рисунок 12.1 – Образное изображение функционирования «электронного языка» при распознавании вкуса напитков
«Электронный язык» представляет собой аналитическое устройство для качественного и количественного анализа многокомпонентных растворов различной природы, состоящее из массива (набора) 6, 11 и 22 неспецифических химических сенсоров, обладающих перекрестной чувствительностью. Это означает, что каждый из них «запоминает» свой отклик на анализируемый объект, а все вместе они создают достаточно представительный его образ. Сложная программа, «обучившись» предварительно на эталонных объектах, позволяет сравнить результаты анализа с эталоном и выдать результат.
С помощью «электронного языка» можно наверняка и быстро выяснить, из какой рыбы (свежей или мороженой, морской или речной) сделан рыбный фарш, из каких яблок (красных или зеленых) приготовили детское пюре. Такое устройство с легкостью отличает разные сорта пива, вина, чая, кофе и соков, распознает минеральные воды. Система помогает решить и технически более трудную задачу –распознать различные сорта растительного масла (отличает рафинированное соевое масло от рафинированного подсолнечного и всего за несколько минут определяет, свежее масло или нет).
«Электронным носом» принято называть мультисенсорную систему распознавания компонентов газовых смесей. Это приборы, работающие на различных физических принципах (проводимость, приращение массы, измерение емкостных зарядов, флуоресценция и др.), в частности, портативные анализаторы подвижности ионов, портатив- ные газовые хроматографы. В отличие от традиционных сенсорных систем, требующих высокоселективные чувствительные элементы, «электронный нос» использует набор низкоселективных сенсоров.
Принцип работы прибора заключается в измерении электропроводности сенсоров при их взаимодействии с парами летучих веществ. В результате адсорбции молекул исследуемого вещества электропроводность чувствительных материалов сенсоров увеличивается. Каждый сенсор не является строго селективным по отношению к какому-либо газу. Однако величина отклика каждого сенсора из набора на разные газы должна быть индивидуальна. Математическая обработка данных сенсорного массива позволяет сформировать уникальный химический образ анализируемого вещества. Сенсорный массив обычно включает от 8 до 30 элементов. Уникальный образ запаха вещества образуется за счет использования отличающихся друг от друга чувствительных элементов сенсоров, изготовленных с применением нанотехнологий. Распознавание веществ производится после «обучения» прибора, которое осуществляется в результате записи отклика сенсорного массива при прокачке через него газа, содержащего пары индивидуального вещества. При последовательной прокачке через прибор паров различных веществ формируется библиотека откликов, хранящаяся в памяти вычислительного устройства, входящего в состав прибора. Распознавание осуществляется путем сравнения отклика от анализируемого газа с откликами от индивидуальных веществ, имеющихся в библиотеке откликов. В случае нахождения похожего отклика или комбинации откликов прибор выдает сигнал о наличии в анализируемом газе паров данного вещества или набора веществ. Чувствительность этого метода высока и позволяет определять очень низкие концентрации органических паров в воздухе.
Наносенсорная нейроподобная система «электронный нос» относится к SMART-материалам («умным материалам») и предназначена для оказания помощи в решении многих проблем, связанных с обеспечением гарантий качества пищевых продуктов, в здравоохранении, при мониторинге объектов окружающей среды, в фармацевтике. Например, «электронный нос» был использован для оценки запаха нескольких марок кофейных зерен. После предварительного «обучения» с использованием профессиональных дегустаторов была продемонстрирована перспективность применения устройств данного типа не только для объективизации органолептических оценок, но и для выбора перспективных ароматов кофейной продукции.
Наиболее актуальные направления в модернизациях «электронного носа» связаны с уменьшением массогабаритных и энергетических характеристик приборов. Кроме миниатюризации следует отметить создание новых химических интерактивных материалов и новых технологий, улучшающих рабочие характеристики сенсоров по отношению к классам практически важных веществ. Развитие таких технологий будет способствовать сближению по выходным параметрам «электронного носа» с его биопрототипом – органом обоняния животных.