Приборы для контроля качества пищевой продукции, созданные с использованием нанотехнологий

В настоящее время существует несколько коммерческих компаний разрабатывающих, так называемые «Электронные носы» и «Электронные языки», для исследования и стандартизации пищевых продуктов, которые созданы на основе нанотехнологий.

«Электронный нос» – это тонкая кремниевая пластинка - чип площадью 2 мм², соединенная с компьютером или микропроцессором (лаборатория на чипе), которая в считанные минуты позволяет качественно и количественно анализировать газы. «Электронный нос» обладает высокой чувствительностью, быстротой анализа и возможностью распознавания огромного множества разных запахов. Кроме анализа пищевых продуктов он может использоваться в медицине для диагностики заболеваний на ранних стадиях по запаху выдыхаемого человеком воздуха; для обнаружения взрывчатки и наркотиков. Подобные аппараты уже сейчас внедряются в крупнейших аэропортах мира, в том числе в московских аэропортах Шереметьево и Домодедово.

«Электронный язык» – это микрочип, способный распознавать и различать по вкусу пищевые продукты сложного состава. «Электронный язык» и «Электронный нос» могут использоваться для определения свежести продуктов питания, качества молока на молочных фермах, в производстве пива, вина, сыра, а также для исследования и стандартизации пищевых продуктов.

Уже на протяжении многих десятилетий учёные признают эффективность применения биологических принципов при проектировании искусственных устройств и систем. Один из современных примеров такого подхода разработка электронных или «искусственных» носов, которые конструктивно реализуются посредством матричных неспецифических сенсоров. В этой быстро развивающейся области наборы неспецифических химических сенсоров соединяются с программами для распознавания образов, подобно тому, как это происходит в биологических обонятельных системах, в которых неселективные обонятельные рецепторы соединены с нервными центрами, где происходит обработка сигнала. Как и естественные системы, искусственные носы способны различать запахи и характеризовать их количественно.

На сегодняшний день по всему миру существуют несколько десятков приборов, созданных на основе концепции искусственного обоняния, хотя большая часть из этих устройств представляют собой лабораторные образцы, некоторое количество приборов второго поколения, более быстрых, чувствительных и меньших по размерам имеется на рынке.

Традиционно химические сенсоры конструируются на основе подхода «один сенсор – одно определяемое вещество (аналит)» или «ключ – замок», когда один сенсор создаётся для обнаружения единственного вещества. Это так называемые специфические сенсоры. Этот подход требует, чтобы высокоселективный материал был совмещён с соответствующим преобразователем энергии, и он является чрезвычайно плодотворным, когда необходимо обнаружить или измерить концентрацию ограниченного количества различных веществ, и когда имеются в наличии соответствующие селективные материалы. Однако при использовании этого метода возникают проблемы, при необходимости контролировать большое количество веществ. Задача становится практически нерешаемой, при необходимости обнаруживать более десяти различных веществ одновременно.

Природа создала биологическую сенсорную систему, которая разительно отличается от искусственных систем и структурно и функционально. Обонятельная система млекопитающих долгое время рассматривалась в качестве одной из наиболее эффективных сенсорных систем, соединяя в себе высокую чувствительность и способность обнаруживать и различать запахи в очень широком диапазоне. Запах регистрируется сенсорными нейронами, в результате этого взаимодействия получается картинка активностей нейронов, включающая в себя множество различных откликов от большого количества рецепторных клеток на один и тот же запах. Активность от возбуждённых сенсорных нейронов передаётся на обонятельную луковицу, далее картинка откликов транспортируется в соответствующие области головного мозга для распознавания и отождествления. Эта система уникальна тем, что вместо одного рецептора для каждой молекулы, используется множество различных сенсорных нейронов, каждый из которых реагирует на множество запахов. В результате большое количество сенсорных нейронов будет регистрировать данный запах, но каждый их них откликается по-разному, таким образом, получается картинка откликов соответствующая только данному запаху. Получается, что рецепторы являются неспецифичными к большому набору запахов.

Главной целью работ, проводящихся в области искусственного обоняния, является применение вышеперечисленных биологических принципов при создании устройств имеющих преимущества присущие естественным системам, где наборы неспецифических сенсоров выполняют функции рецепторных клеток, а программы для распознавания образов замещают головной мозг. Общая схема действия таких устройств приведена на рисунке 2. Теперь рассмотрим как эти два фундаментальных аспекта искусственного обоняния реализуются в матричных химических сенсорах.

Рисунок 2. Принцип действия искусственного носа.

Определение сенсора. Чёткого, устоявшегося и общепринятого определения термина сенсор на настоящий момент не существует, в литературе встречаются несколько трактовок, которые различаются в деталях, но основные их положения совпадают:

Сенсор – это устройство, которое реагирует на изменение параметров окружающей среды и преобразует отклик в электрический сигнал.

Общая схема для всех сенсоров представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема функционирования сенсора.

Необходимо заострить внимание на том, что сенсор представляет собой некое устройство или систему, то есть отдельная молекула в строгом понимании не может быть сенсором. Исходя из приведённого выше определения сенсора, можно сказать, что эта система состоит из следующих частей: сенсорного материала, преобразователя отклика (трансдьюсера) и системы обработки электрического сигнала.

Рассмотрим, какие существуют типы матричных сенсорных анализаторов и принципы их работы.

Типы матричных сенсорных анализаторов:

- Сенсоры на основе оксида олова ()

- Сенсоры на основе полевых транзисторов

- Сенсоры на основе проводящих полимеров

- Сенсоры на основе акустоволновых устройств

- Оптические матричные хемосенсоры

Сенсоры на основе оксида олова ()

Датчики на основе оксида олова были вперые представлены в 1960 году, примерно с этого же времени, они являются коммерческими доступными. Данные устройства используются для детектирования сопутствующего газа при нефтедобыче, оксида углерода, паров воды и т.д. Именно эти датчики были использованы в качестве сенсорных элементов первого матричного сенсора, который был создан в 1982 году. С публикации о создании данного устройства началась «современная эра» неспецифических матричных сенсоров, которые представляют собой наборы неспецифических сенсорных элементов, объеденённые с системами для обработки сложных сигналов, и позволяющие одновременно работать с множеством различных аналитов.

Датчики на основе оксида олова относятся к так называемым хеморезисторам. В таких устройствах механизм детектирования газов основан на изменении электрического сопротивления датчика в присутствии паров аналитов. Это изменение обусловлено необратимым взаимодействием между аналитом и абсорбированными на поверхности полупроводника производными кислорода.

Матричные -сенсоры обычно конструируются из выпускаемых промышленностью датчиков. Они представляют собой керамические трубки диаметром 1 см и длиной 3 - 5 см, на которые нанесена толстая плёнка оксида олова. Наболее совершенные на данный момент, матричные -сенсоры изготавливаются с помощью полупроводниковых технологий микромашиннинга, что позволяет создавать образцы с размером отдельного элемента порядка сотен микрон.

Наиболее перспективной областью применения матричных сенсоров на основе оксида олова считается пищевая промышленность, так как данный сенсор хорошо зарекомендовал себя при определении свежести продуктов и классификации кофейных зёрен.