電子舌和電子鼻在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

電子舌和電子鼻在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

0航天器的污染源監(jiān)測(cè)模擬器是一個(gè)封閉的環(huán)境系統(tǒng)。在航天飛機(jī)和國(guó)際空間站中，不但會(huì)遇到低壓和缺氧，而且會(huì)遇到污染以及復(fù)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(duì)艙內(nèi)污染物的監(jiān)測(cè)能力對(duì)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(lái)源于以下4類：(1)代謝產(chǎn)物。人體向艙內(nèi)排放的化學(xué)成分多達(dá)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(kuò)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(shè)備釋放的有害產(chǎn)物。儀器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一氧化碳，電動(dòng)機(jī)及其他高壓裝置的火花放電能產(chǎn)生臭氧，也可以使導(dǎo)線過(guò)熱或燒焦釋放有毒物質(zhì)；(4)推進(jìn)劑系統(tǒng)的推進(jìn)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(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）對(duì)以下3個(gè)方面的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)：(1)太空艙內(nèi)的有機(jī)污染氣體監(jiān)測(cè)，以防止某些氣體的泄漏；(2)航天飛機(jī)氣閘推進(jìn)劑泄漏污染物的監(jiān)測(cè)。氣閘是乘員艙和外太空的中間連接空間，當(dāng)航天員走出乘員艙時(shí)需要進(jìn)行減壓，回乘員艙時(shí)需要進(jìn)行重新加壓，在進(jìn)行外太空行走時(shí)，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(huì)留有殘余物，胺類的揮發(fā)物具有毒性，是致癌物質(zhì)，肼會(huì)導(dǎo)致中樞系統(tǒng)障礙引發(fā)痙攣；(3)電氣燃燒的預(yù)燃?xì)怏w信號(hào)監(jiān)測(cè)。太空艙這樣狹小的空間發(fā)生著火是災(zāi)難性的，其中電氣著火是主要的引發(fā)原因。電線的過(guò)熱將從絕緣層釋放出某種化學(xué)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?？梢钥闯觯芏鄽怏w的SMAC的量級(jí)是在ppm級(jí)的，所以可以采用精度和測(cè)量分辨力較高的電子鼻來(lái)達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。另外，在航天飛行中，對(duì)航天員身體狀況的監(jiān)測(cè)有利于對(duì)微重力對(duì)人體的影響進(jìn)行研究，對(duì)航天醫(yī)學(xué)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(xì)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(xiǎn)，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(xì)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(duì)人體的尿樣、血樣、汗液及呼吸氣體等進(jìn)行檢測(cè)來(lái)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(yīng)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(cè)揮發(fā)性化學(xué)成分的儀器。包括一些電化學(xué)傳感器或者適當(dāng)?shù)膱D像識(shí)別裝置。20世紀(jì)80年代初期，美國(guó)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(cè)易燃、有毒氣體。同期，英國(guó)的Persaud和Dodd將其理論應(yīng)用于氣體識(shí)別。隨后氣體傳感器陣列的應(yīng)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(dǎo)體傳感器、離子選擇電極以及MOSFET等。國(guó)際上相關(guān)領(lǐng)域的研究者進(jìn)一步結(jié)合模式識(shí)別技術(shù)開始了人工嗅覺(jué)—電子鼻的研究。(1）金屬氧化物傳感器（MOS）。如SnO2、ZnO、WO3等，當(dāng)其吸附某種氣體時(shí)導(dǎo)致該氧化物的電阻下降產(chǎn)生信號(hào)。(2）有機(jī)導(dǎo)電高分子傳感器（CP）。吡咯、苯胺、噻吩、吲哚等堿性有機(jī)物的聚合物及衍生物，當(dāng)它們與帶氣味的物質(zhì)反應(yīng)后通常引起電阻增加，產(chǎn)生正的信號(hào)。(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(huì)引起石英振動(dòng)頻率的改變，從而產(chǎn)生信號(hào)。(4）光纖氣體傳感器。由于光纖所特有的傳感信號(hào)無(wú)電磁干擾、噪聲低、電絕緣、化學(xué)穩(wěn)定性好及熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在電子鼻的研究領(lǐng)域中越來(lái)越引起了人們的極大的興趣。在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了大量的研究：(1)吸收型光纖傳感器。一些常見(jiàn)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(guò)氣體時(shí)根據(jù)光譜強(qiáng)度的衰減就可以得到氣體的濃度;(2)染料指示劑。通過(guò)指示劑與氣體反應(yīng)發(fā)生顏色的變化來(lái)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(lái)確定;(3)光纖熒光傳感器。主要是測(cè)量熒光輻射的強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致體積或折射率變化的材料?？梢钥吹剑怆娮颖怯兄鼮樯钸h(yuǎn)的應(yīng)用前景。圖1為浙江大學(xué)生物傳感器國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室研制出的具有仿生特性的光學(xué)鼻傳感器陣列以及氣味檢測(cè)特征信號(hào)。待測(cè)氣體傳輸?shù)絺鞲衅餍蛄兄械墓饫w的遠(yuǎn)端，與氣體敏感膜的作用使光纖遠(yuǎn)端產(chǎn)生的熒光在一定波長(zhǎng)下的光強(qiáng)發(fā)生變化，記錄并以時(shí)間為橫軸作圖，得到該氣體在該位置的時(shí)間響應(yīng)模式。后續(xù)的數(shù)據(jù)處理采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)OSN(olfactorysensoryneuron)-OB(olfactorybulb)-DLNN(delaylineneuralnetwork)進(jìn)行模式識(shí)別?，F(xiàn)在正在努力實(shí)現(xiàn)光纖陣列的微型化。NASA在實(shí)驗(yàn)室中（22℃，濕度近似于30%）采用了以下幾種電子鼻（表2）來(lái)進(jìn)行有機(jī)氣體的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，SAMDetect,KAMINA和I-Pen2可以檢測(cè)到SMAC水平的有機(jī)氣體。其中I-Pen2電子鼻對(duì)丙酮、異丙醇、丁酮及甲苯揮發(fā)物的響應(yīng)如圖2所示。該圖所表征的是I-Pen2電子鼻陣列中7個(gè)單元對(duì)某種濃度揮發(fā)物的響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)該陣列對(duì)氣體的響應(yīng)很迅速。另外，電子鼻在人體的某些生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)和某些疾病的診斷上有著較為廣泛的應(yīng)用。如尿毒癥、糖尿病、肺癌等。電子鼻在醫(yī)學(xué)診斷上可以實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)方面的應(yīng)用：(1)確定引起病人上呼吸道感染的病原體;(2)對(duì)可分泌毒素引起人畜中毒的藍(lán)藻進(jìn)行分類；(3)通過(guò)檢測(cè)呼吸診斷酮病。該病是動(dòng)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(cè)病癥。Elliott-Martin等已經(jīng)在牛的酮病診斷上進(jìn)行了試驗(yàn)。他們采用基于MOS的智能鼻，檢測(cè)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(jí)。2人體安全監(jiān)控味覺(jué)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?jiàn)味覺(jué)的感知主要是對(duì)某些特殊的離子進(jìn)行鑒別檢測(cè)，電子舌正是基于此進(jìn)行研究的，即是基于離子檢測(cè)的傳感結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在的味覺(jué)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(shí)，人體的體液檢測(cè)主要包括尿液、汗液、唾液及血液的檢測(cè)。醫(yī)學(xué)中對(duì)體液的檢測(cè)包括尿液、唾液和汗液的檢測(cè)。針對(duì)各種體液的檢測(cè)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(xué)的研究者采用光漸逝波的原理，利用特制的光纖傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)唾液中的鏈球菌的活動(dòng)。唾液中的鏈球菌與糖類的反應(yīng)產(chǎn)生乳酸濃度的變化和多聚糖，多聚糖的產(chǎn)生導(dǎo)致漸逝波吸收的減少，使得探測(cè)器的光強(qiáng)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(duì)體液的檢測(cè)主要集中在蛋白質(zhì)和離子的檢測(cè)中，雖然蛋白質(zhì)的檢測(cè)不屬于電子舌檢測(cè)的范疇，但是可以采用電子舌的檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)。如現(xiàn)有的方法中對(duì)蛋白質(zhì)的檢測(cè)能夠采用光纖表面等離子體技術(shù)。浙江大學(xué)生物傳感器國(guó)家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合MEMS技術(shù)和光化學(xué)檢測(cè)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(dāng)味蕾。經(jīng)過(guò)顯微機(jī)械加工的基底充當(dāng)毛孔用于固定這些小球，同時(shí)又能作為化學(xué)分析的微環(huán)境。高靈敏度的CCD用來(lái)檢測(cè)由生物/化學(xué)試劑引起的光學(xué)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(shí)現(xiàn)酸、堿和Cu2+、Zn2+、Mg2+、Ca2+等離子的檢測(cè)。3離子檢測(cè)技術(shù)隨著人們對(duì)微重力下人體機(jī)能的某些改變的深入研究，逐漸把目光放到了生物的細(xì)胞層面上來(lái)，從生物組成的最小單元入手進(jìn)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(duì)細(xì)胞的影響，科研人員對(duì)此十分重視，近年來(lái)在多次航天中進(jìn)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(dòng)物細(xì)胞因子的變化，進(jìn)一步揭示航天環(huán)境對(duì)免疫功能的影響；二是研究航天環(huán)境對(duì)離體細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子的影響，從而進(jìn)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(jī)制。由于藥物作用和刺激而導(dǎo)致離子通道的改變，可以引起細(xì)胞內(nèi)離子濃度的改變，所以通過(guò)對(duì)離子濃度的檢測(cè)就可以知道細(xì)胞對(duì)藥物的響應(yīng)情況?，F(xiàn)有的方法是通過(guò)觀測(cè)細(xì)胞的電信號(hào)的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。1972年，Thomas等首次報(bào)道了用微電極陣列在胞外記錄細(xì)胞的電活動(dòng)。1980年，Pine第一次使用分離的神經(jīng)細(xì)胞作為研究對(duì)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(shí)際上實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)電子舌的作用，同時(shí)，活體細(xì)胞每時(shí)每刻都在進(jìn)行呼吸，對(duì)其微量的氣體交換可以采用電子鼻檢測(cè)。由于細(xì)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(lái)越多的納米傳感器用于氣體和離子的檢測(cè)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(qiáng)等特點(diǎn)。所以對(duì)微量氣體可以進(jìn)行測(cè)量。徐甲強(qiáng)等制得的ZnSnO3納米粉體材料可對(duì)0.05%的酒精進(jìn)行測(cè)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(cè)單個(gè)鼠嗜鉻神經(jīng)癌細(xì)胞（PC12）中神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺的受激釋放，首次進(jìn)行了動(dòng)態(tài)時(shí)空監(jiān)測(cè)，并得到了單個(gè)PC12細(xì)胞內(nèi)單個(gè)囊泡的多巴胺量子釋放信號(hào)。他們采用與PC12細(xì)胞內(nèi)囊泡尺寸相近的納米電極對(duì)細(xì)胞內(nèi)多巴胺量子釋放進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。(3）納米光纖探針：1992年，有學(xué)者首次報(bào)道了光學(xué)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(xué)納米傳感器應(yīng)用于如pH值及離子濃度的檢測(cè)。Cullum等研究了光纖納米生物傳感器對(duì)細(xì)胞進(jìn)行測(cè)量。4