電子舌和電子鼻在航天領(lǐng)域的應用

電子舌和電子鼻在航天領(lǐng)域的應用

0航天器的污染源監(jiān)測模擬器是一個封閉的環(huán)境系統(tǒng)。在航天飛機和國際空間站中，不但會遇到低壓和缺氧，而且會遇到污染以及復雜的艙內(nèi)環(huán)境，這些均與航天員的生命和生活息息相關(guān)，因而對艙內(nèi)污染物的監(jiān)測能力對保證航天員的健康和安全是至關(guān)重要的。航天器中污染物的種類繁多，主要來源于以下4類：(1)代謝產(chǎn)物。人體向艙內(nèi)排放的化學成分多達22類400種，其中尿中占183種，呼吸氣種占149種，皮膚排出占271種;(2)非金屬材料脫氣產(chǎn)物。艙內(nèi)各種金屬材料由于擴散或蒸發(fā)、氧化降解、輻射降解等原因釋放出各種脫氣產(chǎn)物；(3)儀器設備釋放的有害產(chǎn)物。儀器設備運轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一氧化碳，電動機及其他高壓裝置的火花放電能產(chǎn)生臭氧，也可以使導線過熱或燒焦釋放有毒物質(zhì)；(4)推進劑系統(tǒng)的推進劑泄漏。存貯箱中的液態(tài)染料有可能泄漏到坐艙內(nèi)，這些燃料如肼、甲基肼、偏二甲基肼及四氧化二氮等均有毒性。美國國家航空航天局（NASA）對以下3個方面的監(jiān)測進行了強調(diào)：(1)太空艙內(nèi)的有機污染氣體監(jiān)測，以防止某些氣體的泄漏；(2)航天飛機氣閘推進劑泄漏污染物的監(jiān)測。氣閘是乘員艙和外太空的中間連接空間，當航天員走出乘員艙時需要進行減壓，回乘員艙時需要進行重新加壓，在進行外太空行走時，航天員曝露于聯(lián)胺或者肼以及N2O4中，在航天員的太空服或裝備上會留有殘余物，胺類的揮發(fā)物具有毒性，是致癌物質(zhì)，肼會導致中樞系統(tǒng)障礙引發(fā)痙攣；(3)電氣燃燒的預燃氣體信號監(jiān)測。太空艙這樣狹小的空間發(fā)生著火是災難性的，其中電氣著火是主要的引發(fā)原因。電線的過熱將從絕緣層釋放出某種化學氣體。NASA所確定的航天器中一些有害揮發(fā)性物質(zhì)的最大允許濃度(SMAC)如表1所示?？梢钥闯?，很多氣體的SMAC的量級是在ppm級的，所以可以采用精度和測量分辨力較高的電子鼻來達到這個標準。另外，在航天飛行中，對航天員身體狀況的監(jiān)測有利于對微重力對人體的影響進行研究，對航天醫(yī)學的發(fā)展是很有必要的。失重狀態(tài)下，體液代謝發(fā)生紊亂，心率增加，體液向頭部轉(zhuǎn)移，血漿容量和血容量均顯著下降，促紅細胞生成素的含量下降，垂體分泌抗利尿激素和醛固酮減少，腎臟清除率改變，出現(xiàn)高鈣尿，有形成腎結(jié)石的危險，鈉、鉀離子排出增加還可能引起電解質(zhì)滲透濃度變化和膜滲透性能的改變，影響細胞內(nèi)、外介質(zhì)中水分的重新分布。因此，可以采用電子鼻或電子舌對人體的尿樣、血樣、汗液及呼吸氣體等進行檢測來掌握航天員的身體狀況，以便于采取措施保證他們的安全。綜上所述，電子鼻和電子舌在航天環(huán)境中應該是大有作為的。1電子鼻的產(chǎn)生和發(fā)展電子鼻是用于分析、檢測揮發(fā)性化學成分的儀器。包括一些電化學傳感器或者適當?shù)膱D像識別裝置。20世紀80年代初期，美國的Zaromb和Stetter首先探討了氣體傳感器陣列的理論基礎(chǔ)，并將氣體傳感器陣列用于檢測易燃、有毒氣體。同期，英國的Persaud和Dodd將其理論應用于氣體識別。隨后氣體傳感器陣列的應用推廣到各種類型的氣體傳感器，如聲表面波傳感器SAW、金屬氧化物半導體傳感器、離子選擇電極以及MOSFET等。國際上相關(guān)領(lǐng)域的研究者進一步結(jié)合模式識別技術(shù)開始了人工嗅覺—電子鼻的研究。(1）金屬氧化物傳感器（MOS）。如SnO2、ZnO、WO3等，當其吸附某種氣體時導致該氧化物的電阻下降產(chǎn)生信號。(2）有機導電高分子傳感器（CP）。吡咯、苯胺、噻吩、吲哚等堿性有機物的聚合物及衍生物，當它們與帶氣味的物質(zhì)反應后通常引起電阻增加，產(chǎn)生正的信號。(3）質(zhì)量傳感器。如石英晶體微衡傳感器(QCM)、聲表面波傳感器(SAW)，它們吸附了氣味分子會引起石英振動頻率的改變，從而產(chǎn)生信號。(4）光纖氣體傳感器。由于光纖所特有的傳感信號無電磁干擾、噪聲低、電絕緣、化學穩(wěn)定性好及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在電子鼻的研究領(lǐng)域中越來越引起了人們的極大的興趣。在以下幾個方面進行了大量的研究：(1)吸收型光纖傳感器。一些常見的氣體在石英光纖低損耗窗口內(nèi)（1～1.7μm）有吸收峰，光通過氣體時根據(jù)光譜強度的衰減就可以得到氣體的濃度;(2)染料指示劑。通過指示劑與氣體反應發(fā)生顏色的變化來改變吸收光譜。如氨氣、二氧化碳等氣體的濃度就可以采用該方法來確定;(3)光纖熒光傳感器。主要是測量熒光輻射的強度和熒光輻射的壽命;(4)基于折射率變化。在光纖的表面涂敷一種與氣體發(fā)生作用會導致體積或折射率變化的材料?？梢钥吹?，光電子鼻有著更為深遠的應用前景。圖1為浙江大學生物傳感器國家專業(yè)實驗室研制出的具有仿生特性的光學鼻傳感器陣列以及氣味檢測特征信號。待測氣體傳輸?shù)絺鞲衅餍蛄兄械墓饫w的遠端，與氣體敏感膜的作用使光纖遠端產(chǎn)生的熒光在一定波長下的光強發(fā)生變化，記錄并以時間為橫軸作圖，得到該氣體在該位置的時間響應模式。后續(xù)的數(shù)據(jù)處理采用神經(jīng)網(wǎng)絡OSN(olfactorysensoryneuron)-OB(olfactorybulb)-DLNN(delaylineneuralnetwork)進行模式識別?，F(xiàn)在正在努力實現(xiàn)光纖陣列的微型化。NASA在實驗室中（22℃，濕度近似于30%）采用了以下幾種電子鼻（表2）來進行有機氣體的監(jiān)測試驗。試驗中發(fā)現(xiàn)，SAMDetect,KAMINA和I-Pen2可以檢測到SMAC水平的有機氣體。其中I-Pen2電子鼻對丙酮、異丙醇、丁酮及甲苯揮發(fā)物的響應如圖2所示。該圖所表征的是I-Pen2電子鼻陣列中7個單元對某種濃度揮發(fā)物的響應，可以發(fā)現(xiàn)該陣列對氣體的響應很迅速。另外，電子鼻在人體的某些生理參數(shù)的監(jiān)測和某些疾病的診斷上有著較為廣泛的應用。如尿毒癥、糖尿病、肺癌等。電子鼻在醫(yī)學診斷上可以實現(xiàn)以下3個方面的應用：(1)確定引起病人上呼吸道感染的病原體;(2)對可分泌毒素引起人畜中毒的藍藻進行分類；(3)通過檢測呼吸診斷酮病。該病是動物的組織和體液中酮體濃度的異常升高，為糖尿病和饑餓的合并癥，所以也是糖尿病的輔助檢測病癥。Elliott-Martin等已經(jīng)在牛的酮病診斷上進行了試驗。他們采用基于MOS的智能鼻，檢測了患有酮病的牛，發(fā)現(xiàn)呼吸氣體中丙酮的含量為10ppm量級。2人體安全監(jiān)控味覺由5種基本物質(zhì)組成：酸味由氫離子產(chǎn)生，如鹽酸、醋酸、檸檬酸；咸味主要是由氯化鈉引起；甜味主要由蔗糖、葡萄糖產(chǎn)生；苦味由奎寧、咖啡因和氯化鎂產(chǎn)生?？梢娢队X的感知主要是對某些特殊的離子進行鑒別檢測，電子舌正是基于此進行研究的，即是基于離子檢測的傳感結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在的味覺傳感器主要有以下幾種：多通道類脂膜傳感器，表面等離子體共振傳感器，表面光伏電壓傳感器。在太空飛行時，人體的體液檢測主要包括尿液、汗液、唾液及血液的檢測。醫(yī)學中對體液的檢測包括尿液、唾液和汗液的檢測。針對各種體液的檢測結(jié)果可以聯(lián)系到身體產(chǎn)生的病變。新加坡南洋理工大學的研究者采用光漸逝波的原理，利用特制的光纖傳感器來監(jiān)測唾液中的鏈球菌的活動。唾液中的鏈球菌與糖類的反應產(chǎn)生乳酸濃度的變化和多聚糖，多聚糖的產(chǎn)生導致漸逝波吸收的減少，使得探測器的光強增大。如圖3所示，使得570nm的唾液特征吸收峰值變小。綜上所述，對體液的檢測主要集中在蛋白質(zhì)和離子的檢測中，雖然蛋白質(zhì)的檢測不屬于電子舌檢測的范疇，但是可以采用電子舌的檢測方法來檢測。如現(xiàn)有的方法中對蛋白質(zhì)的檢測能夠采用光纖表面等離子體技術(shù)。浙江大學生物傳感器國家專業(yè)實驗室結(jié)合MEMS技術(shù)和光化學檢測原理研制的離子圖像傳感器陣列，利用表面攜帶接收器的硅膠小球就充當味蕾。經(jīng)過顯微機械加工的基底充當毛孔用于固定這些小球，同時又能作為化學分析的微環(huán)境。高靈敏度的CCD用來檢測由生物/化學試劑引起的光學特性的變化。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該傳感器陣列可以實現(xiàn)酸、堿和Cu2+、Zn2+、Mg2+、Ca2+等離子的檢測。3離子檢測技術(shù)隨著人們對微重力下人體機能的某些改變的深入研究，逐漸把目光放到了生物的細胞層面上來，從生物組成的最小單元入手進行研究才能探求到最根本的原因。由此發(fā)展到研究航天環(huán)境對細胞的影響，科研人員對此十分重視，近年來在多次航天中進行了有關(guān)這方面的研究。其主要目的為：一是研究航天環(huán)境下航天員及飛行動物細胞因子的變化，進一步揭示航天環(huán)境對免疫功能的影響；二是研究航天環(huán)境對離體細胞產(chǎn)生的細胞因子的影響，從而進一步探討早先發(fā)現(xiàn)的航天環(huán)境使免疫功能降低的機制。由于藥物作用和刺激而導致離子通道的改變，可以引起細胞內(nèi)離子濃度的改變，所以通過對離子濃度的檢測就可以知道細胞對藥物的響應情況?，F(xiàn)有的方法是通過觀測細胞的電信號的改變來實現(xiàn)。1972年，Thomas等首次報道了用微電極陣列在胞外記錄細胞的電活動。1980年，Pine第一次使用分離的神經(jīng)細胞作為研究對象記錄其胞外電位。1991年，F(xiàn)romherz等用集成電子管作為傳感器元件代替以前采用的金屬電極。以上各種方法實際上實現(xiàn)的是一個電子舌的作用，同時，活體細胞每時每刻都在進行呼吸，對其微量的氣體交換可以采用電子鼻檢測。由于細胞的尺寸很小，要求電子舌和電子鼻要向微型化發(fā)展。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，越來越多的納米傳感器用于氣體和離子的檢測中。主要有以下3種。(1）納米材料傳感器：粒子直徑在0.1～100nm尺度水平的納米粒子具有比表面積大，表面活性高，氣體作用強等特點。所以對微量氣體可以進行測量。徐甲強等制得的ZnSnO3納米粉體材料可對0.05%的酒精進行測量。(2）納米電極：黃衛(wèi)華等采用低噪音碳纖維納米電極用于檢測單個鼠嗜鉻神經(jīng)癌細胞（PC12）中神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的受激釋放，首次進行了動態(tài)時空監(jiān)測，并得到了單個PC12細胞內(nèi)單個囊泡的多巴胺量子釋放信號。他們采用與PC12細胞內(nèi)囊泡尺寸相近的納米電極對細胞內(nèi)多巴胺量子釋放進行動態(tài)檢測。(3）納米光纖探針：1992年，有學者首次報道了光學納米傳感器的結(jié)構(gòu)和使用，從此，就出現(xiàn)了不同的光化學納米傳感器應用于如pH值及離子濃度的檢測。Cullum等研究了光纖納米生物傳感器對細胞進行測量。4