电子舌和电子鼻在航天领域的应用

电子舌和电子鼻在航天领域的应用

0航天器的污染源监测模拟器是一个封闭的环境系统。在航天飞机和国际空间站中，不但会遇到低压和缺氧，而且会遇到污染以及复杂的舱内环境，这些均与航天员的生命和生活息息相关，因而对舱内污染物的监测能力对保证航天员的健康和安全是至关重要的。航天器中污染物的种类繁多，主要来源于以下4类：(1)代谢产物。人体向舱内排放的化学成分多达22类400种，其中尿中占183种，呼吸气种占149种，皮肤排出占271种;(2)非金属材料脱气产物。舱内各种金属材料由于扩散或蒸发、氧化降解、辐射降解等原因释放出各种脱气产物；(3)仪器设备释放的有害产物。仪器设备运转能产生一氧化碳，电动机及其他高压装置的火花放电能产生臭氧，也可以使导线过热或烧焦释放有毒物质；(4)推进剂系统的推进剂泄漏。存贮箱中的液态染料有可能泄漏到坐舱内，这些燃料如肼、甲基肼、偏二甲基肼及四氧化二氮等均有毒性。美国国家航空航天局（NASA）对以下3个方面的监测进行了强调：(1)太空舱内的有机污染气体监测，以防止某些气体的泄漏；(2)航天飞机气闸推进剂泄漏污染物的监测。气闸是乘员舱和外太空的中间连接空间，当航天员走出乘员舱时需要进行减压，回乘员舱时需要进行重新加压，在进行外太空行走时，航天员曝露于联胺或者肼以及N2O4中，在航天员的太空服或装备上会留有残余物，胺类的挥发物具有毒性，是致癌物质，肼会导致中枢系统障碍引发痉挛；(3)电气燃烧的预燃气体信号监测。太空舱这样狭小的空间发生着火是灾难性的，其中电气着火是主要的引发原因。电线的过热将从绝缘层释放出某种化学气体。NASA所确定的航天器中一些有害挥发性物质的最大允许浓度(SMAC)如表1所示。可以看出，很多气体的SMAC的量级是在ppm级的，所以可以采用精度和测量分辨力较高的电子鼻来达到这个标准。另外，在航天飞行中，对航天员身体状况的监测有利于对微重力对人体的影响进行研究，对航天医学的发展是很有必要的。失重状态下，体液代谢发生紊乱，心率增加，体液向头部转移，血浆容量和血容量均显著下降，促红细胞生成素的含量下降，垂体分泌抗利尿激素和醛固酮减少，肾脏清除率改变，出现高钙尿，有形成肾结石的危险，钠、钾离子排出增加还可能引起电解质渗透浓度变化和膜渗透性能的改变，影响细胞内、外介质中水分的重新分布。因此，可以采用电子鼻或电子舌对人体的尿样、血样、汗液及呼吸气体等进行检测来掌握航天员的身体状况，以便于采取措施保证他们的安全。综上所述，电子鼻和电子舌在航天环境中应该是大有作为的。1电子鼻的产生和发展电子鼻是用于分析、检测挥发性化学成分的仪器。包括一些电化学传感器或者适当的图像识别装置。20世纪80年代初期，美国的Zaromb和Stetter首先探讨了气体传感器阵列的理论基础，并将气体传感器阵列用于检测易燃、有毒气体。同期，英国的Persaud和Dodd将其理论应用于气体识别。随后气体传感器阵列的应用推广到各种类型的气体传感器，如声表面波传感器SAW、金属氧化物半导体传感器、离子选择电极以及MOSFET等。国际上相关领域的研究者进一步结合模式识别技术开始了人工嗅觉—电子鼻的研究。(1）金属氧化物传感器（MOS）。如SnO2、ZnO、WO3等，当其吸附某种气体时导致该氧化物的电阻下降产生信号。(2）有机导电高分子传感器（CP）。吡咯、苯胺、噻吩、吲哚等碱性有机物的聚合物及衍生物，当它们与带气味的物质反应后通常引起电阻增加，产生正的信号。(3）质量传感器。如石英晶体微衡传感器(QCM)、声表面波传感器(SAW)，它们吸附了气味分子会引起石英振动频率的改变，从而产生信号。(4）光纤气体传感器。由于光纤所特有的传感信号无电磁干扰、噪声低、电绝缘、化学稳定性好及热稳定性好等优点，在电子鼻的研究领域中越来越引起了人们的极大的兴趣。在以下几个方面进行了大量的研究：(1)吸收型光纤传感器。一些常见的气体在石英光纤低损耗窗口内（1～1.7μm）有吸收峰，光通过气体时根据光谱强度的衰减就可以得到气体的浓度;(2)染料指示剂。通过指示剂与气体反应发生颜色的变化来改变吸收光谱。如氨气、二氧化碳等气体的浓度就可以采用该方法来确定;(3)光纤荧光传感器。主要是测量荧光辐射的强度和荧光辐射的寿命;(4)基于折射率变化。在光纤的表面涂敷一种与气体发生作用会导致体积或折射率变化的材料。可以看到，光电子鼻有着更为深远的应用前景。图1为浙江大学生物传感器国家专业实验室研制出的具有仿生特性的光学鼻传感器阵列以及气味检测特征信号。待测气体传输到传感器序列中的光纤的远端，与气体敏感膜的作用使光纤远端产生的荧光在一定波长下的光强发生变化，记录并以时间为横轴作图，得到该气体在该位置的时间响应模式。后续的数据处理采用神经网络OSN(olfactorysensoryneuron)-OB(olfactorybulb)-DLNN(delaylineneuralnetwork)进行模式识别。现在正在努力实现光纤阵列的微型化。NASA在实验室中（22℃，湿度近似于30%）采用了以下几种电子鼻（表2）来进行有机气体的监测试验。试验中发现，SAMDetect,KAMINA和I-Pen2可以检测到SMAC水平的有机气体。其中I-Pen2电子鼻对丙酮、异丙醇、丁酮及甲苯挥发物的响应如图2所示。该图所表征的是I-Pen2电子鼻阵列中7个单元对某种浓度挥发物的响应，可以发现该阵列对气体的响应很迅速。另外，电子鼻在人体的某些生理参数的监测和某些疾病的诊断上有着较为广泛的应用。如尿毒症、糖尿病、肺癌等。电子鼻在医学诊断上可以实现以下3个方面的应用：(1)确定引起病人上呼吸道感染的病原体;(2)对可分泌毒素引起人畜中毒的蓝藻进行分类；(3)通过检测呼吸诊断酮病。该病是动物的组织和体液中酮体浓度的异常升高，为糖尿病和饥饿的合并症，所以也是糖尿病的辅助检测病症。Elliott-Martin等已经在牛的酮病诊断上进行了试验。他们采用基于MOS的智能鼻，检测了患有酮病的牛，发现呼吸气体中丙酮的含量为10ppm量级。2人体安全监控味觉由5种基本物质组成：酸味由氢离子产生，如盐酸、醋酸、柠檬酸；咸味主要是由氯化钠引起；甜味主要由蔗糖、葡萄糖产生；苦味由奎宁、咖啡因和氯化镁产生。可见味觉的感知主要是对某些特殊的离子进行鉴别检测，电子舌正是基于此进行研究的，即是基于离子检测的传感结构。现在的味觉传感器主要有以下几种：多通道类脂膜传感器，表面等离子体共振传感器，表面光伏电压传感器。在太空飞行时，人体的体液检测主要包括尿液、汗液、唾液及血液的检测。医学中对体液的检测包括尿液、唾液和汗液的检测。针对各种体液的检测结果可以联系到身体产生的病变。新加坡南洋理工大学的研究者采用光渐逝波的原理，利用特制的光纤传感器来监测唾液中的链球菌的活动。唾液中的链球菌与糖类的反应产生乳酸浓度的变化和多聚糖，多聚糖的产生导致渐逝波吸收的减少，使得探测器的光强增大。如图3所示，使得570nm的唾液特征吸收峰值变小。综上所述，对体液的检测主要集中在蛋白质和离子的检测中，虽然蛋白质的检测不属于电子舌检测的范畴，但是可以采用电子舌的检测方法来检测。如现有的方法中对蛋白质的检测能够采用光纤表面等离子体技术。浙江大学生物传感器国家专业实验室结合MEMS技术和光化学检测原理研制的离子图像传感器阵列，利用表面携带接收器的硅胶小球就充当味蕾。经过显微机械加工的基底充当毛孔用于固定这些小球，同时又能作为化学分析的微环境。高灵敏度的CCD用来检测由生物/化学试剂引起的光学特性的变化。其系统结构如图4所示。该传感器阵列可以实现酸、碱和Cu2+、Zn2+、Mg2+、Ca2+等离子的检测。3离子检测技术随着人们对微重力下人体机能的某些改变的深入研究，逐渐把目光放到了生物的细胞层面上来，从生物组成的最小单元入手进行研究才能探求到最根本的原因。由此发展到研究航天环境对细胞的影响，科研人员对此十分重视，近年来在多次航天中进行了有关这方面的研究。其主要目的为：一是研究航天环境下航天员及飞行动物细胞因子的变化，进一步揭示航天环境对免疫功能的影响；二是研究航天环境对离体细胞产生的细胞因子的影响，从而进一步探讨早先发现的航天环境使免疫功能降低的机制。由于药物作用和刺激而导致离子通道的改变，可以引起细胞内离子浓度的改变，所以通过对离子浓度的检测就可以知道细胞对药物的响应情况。现有的方法是通过观测细胞的电信号的改变来实现。1972年，Thomas等首次报道了用微电极阵列在胞外记录细胞的电活动。1980年，Pine第一次使用分离的神经细胞作为研究对象记录其胞外电位。1991年，Fromherz等用集成电子管作为传感器元件代替以前采用的金属电极。以上各种方法实际上实现的是一个电子舌的作用，同时，活体细胞每时每刻都在进行呼吸，对其微量的气体交换可以采用电子鼻检测。由于细胞的尺寸很小，要求电子舌和电子鼻要向微型化发展。随着纳米技术的发展，越来越多的纳米传感器用于气体和离子的检测中。主要有以下3种。(1）纳米材料传感器：粒子直径在0.1～100nm尺度水平的纳米粒子具有比表面积大，表面活性高，气体作用强等特点。所以对微量气体可以进行测量。徐甲强等制得的ZnSnO3纳米粉体材料可对0.05%的酒精进行测量。(2）纳米电极：黄卫华等采用低噪音碳纤维纳米电极用于检测单个鼠嗜铬神经癌细胞（PC12）中神经递质多巴胺的受激释放，首次进行了动态时空监测，并得到了单个PC12细胞内单个囊泡的多巴胺量子释放信号。他们采用与PC12细胞内囊泡尺寸相近的纳米电极对细胞内多巴胺量子释放进行动态检测。(3）纳米光纤探针：1992年，有学者首次报道了光学纳米传感器的结构和使用，从此，就出现了不同的光化学纳米传感器应用于如pH值及离子浓度的检测。Cullum等研究了光纤纳米生物传感器对细胞进行测量。4