В условиях стремительного развития Интернета вещей (IoT) и современных методов медицинской диагностики растет и спрос на компактные, экономичные, энергосберегающие, но при этом достаточно чувствительные и селективные газоаналитические системы, такие как «электронный нос», которые могут применяться в неинвазивной диагностике заболеваний органов дыхательной системы человека, в частности, хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ). Для этой цели в Сколтехе была разработана компактная сенсорная система, в составе которой используются датчики, способные распознавать компоненты сложных газовых смесей и работающие практически по тому же принципу, что и нос человека.
Один из способов создания «электронного носа» основан на использовании технологий аддитивного производства, которые позволяют создавать сложнейшие устройства. Первоначальная идея этого проекта принадлежит исследователям Сколтеха: старший научный сотрудник Сколтеха Федор Федоров, профессор Альберт Насибулин, научный сотрудник Дмитрий Рупасов и их коллеги разработали мультисенсорный «электронный нос». Используя технику 3D-печати, они нанесли на чип с несколькими подключенными электродами нанокристаллические пленки из оксидов восьми металлов − марганца, церия, циркония, цинка, хрома, кобальта, олова и титана.
«В нашей работе мы использовали микроплоттерную печать чернилами на основе истинных растворов, которые далее были трансформированы в оксиды. Полученные результаты представляют ценность с нескольких точек зрения. Во-первых, разрешение печати сравнимо с расстоянием между электродами на чипе, который был оптимизирован для повышения удобства измерений. Таким образом мы продемонстрировали совместимость этих технологий. Во-вторых, нам удалось использовать оксиды различных металлов, что позволило получить более ортогональный сигнал от чипа и тем самым повысить селективность датчика. Можно также предположить, что эта технология обладает воспроизводимостью и может быть легко внедрена в промышленности для изготовления чипов с аналогичными характеристиками, что действительно важно для производства датчиков типа «электронный нос»», − рассказывает Федор Федоров.
В ходе экспериментов было показано, что «электронный нос» способен улавливать разницу между пара́ми различных спиртов − метанола, этанола, изопропанола и н-бутанола, которые очень схожи по химическому составу и при низких концентрациях в воздухе трудно различимы. Кроме того, обнаружение высокотоксичного метанола в напитках и выявление различий между метанолом и этанолом имеет важное значение с точки зрения охраны здоровья и жизни людей.
В данном проекте обработка данных выполнялась методом линейного дискриминантного анализа (LDA) с использованием алгоритма распознавания образов, однако, это не исключает возможности применения для этой цели и других алгоритмов машинного обучения.
Хотя работа устройства пока обеспечивается при относительно высоких температурах − 200-400 оС, исследователи полагают, что повысить чувствительность и обеспечить работу датчиков при комнатной температуре можно, используя новые квазидвумерные материалы, в частности, MXenes, графен и другие. Ученые планируют продолжить работу в этом направлении и, в частности, оптимизировать материалы, используемые для снижения энергопотребления.
Исследование проводилось с участием специалистов Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Саратовского государственного технического университета им. Ю.А. Гагарина, Технологического института Карлсруэ (Германия), Московского физико-технического института (МФТИ) и компании Breitmeier Messtechnik GmbH (Германия).
