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嘉峪檢測網 2020-05-11 11:38
經過數億年的發展，生物進化出了近乎完美的嗅覺系統以躲避威脅、捕獲獵物，從而得以生存。早在1.5萬年前，人類就利用犬類具有更加優異嗅覺的特點，馴化了犬類輔助捕獵和預防猛獸襲擊。此后，人們還利用金絲雀對地下煤礦中的一氧化碳進行檢測，利用警犬檢測爆炸物、毒品、疾病等。
但是，直接利用生物進行檢測存在成本高、生物情緒狀態不穩定等缺點，限制了其在實際環境中的應用。因此，人們試圖通過模仿生物的嗅覺，開發具有仿生功能的人工嗅覺系統，即電子鼻、生電鼻和比色鼻。
圖1 （a-c）自然嗅覺系統識別氣味過程機理圖；（d-f）比色人工嗅覺系統總圖及其檢測過程圖；（g-h）比色人工嗅覺系統分解圖及其制備過程圖
電子鼻是1982年由Persaud和Dodd開發出了第一個人工鼻子，其成功利用傳感陣列并輔助以指紋識別技術實現了對于多種氣味的區分識別。但是，電子鼻依然主要依賴于待測物與目標氣體分子間的無特異性物理吸附，這就導致其依然容易受到環境中其它物質，尤其是濕度的干擾。而通過對電子鼻表面化學修飾以提高其選擇性，不僅極大提高了材料制備的復雜性，還由于這種不可逆的化學反應而導致基線漂移。
隨著1991年哥倫比亞大學科學家Buck和Axel解碼了嗅覺受體這一劃時代的發現，生電鼻獲得了極大的發展。它不僅具有優異的抗干擾特性，而且可以達到0.1 fM的液體超靈敏檢測和PPt 級別（10-12，萬億分之一）的氣體檢測限。但是，由于生電鼻完全依賴種類有限的生物嗅覺受體，這就導致對于一氧化氮、甲烷等無味有毒氣體難以檢測，更不要說其所需的復雜異質表達系統和要求較高的培養環境。
北伊利諾伊大學的 Suslick 課題組在2000年率先利用金屬卟啉染料制備出了比色鼻子。由于比色鼻子主要利用其與目標分子從最弱的范德瓦爾斯鍵到最強的共價鍵或離子鍵等一系列弱強不同的比色陣列組成，因此其具有極其優異的靈敏度和選擇性。但是其由于采用的比色陣列均為交叉相應，這就導致較弱閉塞單元被干擾后就會引起整體判斷的錯誤。此外，因為是一次性使用，這就造成了不必要的環境污染和資源浪費。
無論是哪種人工鼻子，其都無法完成對揮發性極低甚至不揮發物質的檢測，這也就極大地限制了人工鼻子的發展。
如何針對揮發性極低甚至不揮發爆炸物檢測，從人工嗅覺系統方面提出新的解決方案，是一項極為挑戰性的課題，而這也極大地限制了人工嗅覺系統的發展。是否有可能將電子鼻的可重復使用性、生電鼻的特異性和比色鼻的完全不依賴生物組織的優點結合在一起，并且克服其共同的缺點——無法檢測揮發性極低甚至完全不揮發物質，是當今痕量檢測領域面臨的巨大挑戰。
眾所周知，人體嗅覺系統能夠受到固體花粉刺激。那么，是否可以通過檢測空氣中懸浮顆粒而達到檢測難揮發物質的目的呢？
經過深入分析嗅覺系統的作用機理，研究人員設計開發出一種全新的人工嗅覺系統——基于水凝膠的比色人工嗅覺系統。主要基于三個方面的仿生效果：1）利用水凝膠既具有微液環境又具有固體機械性能的特點，模擬嗅覺粘膜，實現空氣中懸浮顆粒的吸附、溶解及檢測；2）以針對待檢測物的、特異性強的比色探針加載到水凝膠中以模擬氣味結合蛋白；3）利用反應產物特定顏色傳導出的光學信號，模擬嗅覺受體發生形狀變化傳輸信號。
比色水凝膠首先通過物理吸附將懸浮在空氣中的非制式爆炸物顆粒吸附在其表面，之后顆粒邊溶解邊與比色水凝膠中的試劑反應，最后在一定區域內產生明顯地顏色變化。
圖2（a）比色試劑檢測1 mM的NaClO前后紫外-可見吸收光譜對比圖，插圖為比色皿中試劑顏色對比圖片及其反應機理圖；（b-d）隨NaClO濃度增加試劑的顏色變化過程圖，紫外-可見吸收光譜變化圖，666 nm位置處吸收值變化圖及其擬合曲線插圖；（e）試劑在60天內檢測不同濃度NaClO的666 nm位置處紫外-可見吸收峰值變化圖及其實物照片；（f）試劑檢測不同濃度NaClO的RGB距離變化圖及其擬合曲線插圖；（g-h）RGB距離分析試劑對于日常用品及其空氣中水溶性懸浮離子的選擇性和抗干擾性能，插圖為其相應的實物照片（圖中的標準偏差均為3次測試后的計算結果）
實驗結果表明比色水凝膠檢測5種1.2-9.8 µm直徑范圍內的非制式爆炸物顆粒時，對NaClO、KClO?、NaClO?、尿素和KNO?可分別在20 s、0.6 s、0.3 s、1 s和0.2 s實現識別。同時，該比色人工嗅覺系統對不同種類的非制式爆炸物顆粒質量低至66.7 pg（NaClO），39.4 pg（KClO?），137.9 pg（NaClO?），65.5 pg（尿素）和127.2 pg（KNO?）時就能實現明顯識別，因而具有pg級的檢測限。不僅如此，該比色人工嗅覺系統還具有優異的選擇性和可重復使用性。
圖3 （a）賦予水凝膠比色檢測性能及其可重復使用性能的示意圖與掃描電鏡圖；（b-c）水凝膠、比色水凝膠、檢測后及其萃取后水凝膠的傅里葉-紅外光譜和重復使用時的RGB距離變化
圖4 （a-c）比色水凝膠檢測顆粒過程示意圖；比色水凝膠檢測5種非制式爆炸物懸浮顆粒的（d）時間序列圖，（e）差色圖,（f）顏色擴散面積隨時間的變化圖
該方法克服了傳統意義上電子鼻、生電鼻、比色鼻的缺點，不僅解決了嚴重威脅世界人民生命和財產安全的難揮發性非制式爆炸物檢測難題，而且將人工嗅覺系統推向了一個新高度。在實際情況下，該方法還可以擴展到毒品檢測、環境污染物監測、食品安全等領域。
日前，相關研究成果以 A Colorimetric Artificial Olfactory System for Airborne Improvised Explosive Identification 為題發表在材料領域國際期刊 Advanced Material 上，并被選為雜志內封底，隨后還得到得到材料領域學術網站 Materials Views China報道。
來源：中科院
