Электронный нос или что может заменить нос собаки

Механизм обоняния человека
Обнаружение запаха Распознавание запаха
ощущение,
обусловленное
воздействием
ЗАПАХ -
пахучих веществ
на рецепторы
слизистой оболочки
носовой полости.

Общая поверхность, занимаемая эпителием в обеих половинках носа - 2 - 4 см2 (у собак - 27 - 200 см2).
Эпителий покрыт слоем обонятельной слизи толщиной 150-300 мкм.
Молекула одоранта
связывается с рецепторным белком в нейрональной клеточной мембране.
Обонятельные нейроны у
человека содержат около 350
различных видов
рецепторных белков (2004
год - Нобелевская премия).
На одном нейроне
присутствует только
обонятельный рецепторный
белок одного вида.
Число обонятельных
нейронов у человека - 10 млн

Функциональные общности и технические различия естественного и искусственного (сделанного
человеком) носа
Анализ запаха компонентами человеческого носа
источника запаха
Молекулы (одоранта) электронный
инициируют или ионный сигнал
посредством активации рецепторов мембраны (или
сенсорного/транспортного блоков)
Сигнал определяет компоненты
«вектора данных» и в дальнейшем обрабатывается в мозгу методом распознавания образов.

Сенсор – инструмент, который реагирует на
физическое воздействие (нагрев, свет, звук, давление, магнетизм, движение и др.)
Он собирает и измеряет данные в соответствии со
свойствами явления, объекта, или материала
Сенсоры – важнейшая часть измерительного или автоматического устройства
Сенсор отвечает за перевод физического явления в количественно измеряемое системой сбора данных
Сенсор

32 химических датчика
Cyranose 320
Система обнаружения и
биологических
мониторинга отравляющих токсичных
веществ и
отходов
промышленности "Centurion II"
Спектрометрия Ионной Подвижности
Портативный идентификатор
химических веществ "HazMatID 360"
Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье
Рынок «электронных носов»
Принцип действия

Рынок «электронных носов»
http://www.e-nose.info

Частицы, имеющие
размеры меньше, чем характеристическая
длина,
связанная с определённым явлением, часто проявляют новые химические и
которые приводят к новым свойствам,
зависящим от
физические свойства, размера.
Когда размер структуры уменьшается, отношение поверхности к объему увеличивается соответственно, и поверхностные явления начинают доминировать над физическими и химическими свойствами всего тела.
Уменьшение размера чувствительного элемента и/или трансдьюсера сенсора определяет возможность миниатюризации устройства.
Наука наноматериалов работает с новыми явлениями и новый сенсор должен использовать преимущества данных явлений
Чувствительность может быть повышена за счёт улучшения проводимости, пределы обнаружения молекул могут быть понижены, возможно обнаружение очень малых концентраций вещества, становится возможно непосредственное распознавание без использования меток.
Почему нано-сенсоры?!

Наносенсоры
доставляют в режиме
настоящего времени информацию об антителах антигенам, от клеточных рецепторов к их железам, и от ДНК И РНК к нуклеиновым кислотам комплиментарной последовательности
Чувствительность традиционного
биосенсора находится в диапазоне 103 -
104 колониеобразующих единиц (КЕ)/мл. Размерная совместимость нанострукутрных материалов позволяет повысить чувствительность до ~ 1 КЕ/мл
детектирования
традиционными
Уменьшение времени по сравнению с методами
Размер и совместимость

Основные особенности технологии
распознавания газов:
Обратимость
Чувствительность
Селективность
Электронный нос Общая структура химического сенсора

ю
при
УНТ имеют высокий коэффициент отношения длина/радиус
Они проявляют как металлические, так и полупроводниковые и
диэлектрические свойства
Они имеют высокую механическу прочность
Их свойства могут быть изменены инкапсулируя внутри них металлы
создании электрических и магнитных нанокабелей
Исключительные свойства углеродных нанотрубок

Электрические свойства УНТ чувствительны к явлениям переноса заряда и химическому легированию различными молекулами
Электронная структура
изучаемых
молекул
вблизи
полупроводниковых
нанотрубок приводит к изменению
проводимости
углеродных нанотрубок,
которая может быть измерена
Наносенсоры, основанные на изменении электрической проводимости являются высоко чувствительными, но они ограничены такими факторами как: невозможностью обнаружить аналиты с низкими энергиями адсорбции, слабой диффузией и переносом заряда
Схематическая структура УНТ транзистора

Схематическая структура УНТ транзистора
одной
может изменить
Адсорбция молекулы значительно
проводимость
нанотрубки.

Актуальность
www.greenpeace.org
Строительство
мусоросжигательных заводов в жилых районах
Задержка с переходом на топливо стандарта Евро-3 (высокооктанового) в России
Загрязняющие вещества (мг/м3 в 2007 г. на
различных территориях Москвы
http://www.mosecom.ru

Прямые конкуренты
NOKIA
модуль, который
Переносимый сенсорный
способен отслеживать и
анализировать
вокруг себя атмосферу,
состояние
показателей здоровья человека и погодные
условия в локальной области
нахождения. Сенсорный элемент
быть надет на
его может шею.
запястье или
средства
передачи
Близкопольные информации
будут
использованы для
передачи данных от сенсора на мобильный
или другое принимающее
телефон устройство.
General Electric
Многофункциональная
платформа на основе
сенсорная радиочастотной
идентификации (RFID), работающей без
батарей, которая открывает возможность
низкозатратного производства целого ряда беспроводных сенсоров для применения в
сфере здравоохранения, систем
безопасности, а также для использования в
целях предотвращения загрязнения
окружающей среды. Каждый сенсор
способен с высокой точностью реагировать на множественные химические вещества в различных условиях и при этом не требует электропитания.

Датчик Аммиака
Figaro TGS 826 (США)
Диапазон чувствительности: 30 – 300 ppm
Выходной сигнал: ~ 500 нА/ppm
Нагреватель: есть
Потребляемая мощность: 15 мВт Вес: 32 г
Размер: 20х20х30 мм Цена – 2800 руб
Лабораторный образец
Диапазон чувствительности по
аммиаку: 25 – 300 ppm
Выходной сигнал: ~ 15 нА/ppm Время отклика при комнатной температуре -150 сек.
Нагреватель: нет
Потребляемая мощность: 3 мВт Вес: 5 г
Размер: 6х6х2 мм
«Сенсорная структура на основе
квазиодномерных проводников». Решение о выдаче патента РФ по заявке № 2008141658 от 23.10.2008
Рынок химических сенсоров
917 крупных компаний, работает в области производства сенсорных приложений. Рынок только химических сенсоров в США превысит 5 миллиардов долларов к 2012 году . При этом наибольшим, продолжит оставаться рынок сенсоров для медицинских приложений и средств
мониторинга состояния окружающей среды.
Конкуренты

Научно-техническая база создания сенсоров
Сканирующие зондовые
микроскопы (ЗАО NT-MDT)
Установка роста углеродных
нанотрубок CVDomna (МИЭТ)
Установка для проведения электрофореза на основе ИППП 1/5
Измеритель параметров сенсоров ИПС-16 (ЗАО Практик-НЦ)
Нанотехнологический комплекс НТК - 5 Нанофаб -100 (ЗАО NT- MDT)

Применение электронного носа на нанотрубках
Интегральные химические сенсоры для космической промышленности
Мобильные
химические сенсоры
Имплантируемые биосенсоры
В РКТ широко применяются
полимерные материалы, которые могут
самопроизвольно
перечисленные альдегиды,
выделять спирты и
кетоны. Компактные химические
сенсоры решают проблему мониторинга атмосферы в жилых помещениях КЛА
Датчики глюкозы для
мониторинга уровня
сахара в крови. Такие датчики чрезвычайно важны для людей с заболеваниями эндокринной системы
Мобильные сенсоры важны для оперативного мониторинга состава
на
атмосферы химических предприятиях

Принцип действия электронного «носа»
обнаружение
распознавание

Разработка трехмерной модели робототехнической платформы,
выполняющих сложные пространственные перемещения и наносистемных датчиков (сенсоров) в системе трехмерного проектирования Pro/ENGINEER
эффективные
методы
удаленного
управления
роботами через
Разработаны Интернет и,
более широко, в случаях управления роботами с задержками
управляющего сигнала и при нагруженных каналах связи. Методы основаны на использовании "виртуального дублера" - трехмерных моделей робота и его рабочего пространства, функционирующих в масштабе реального времени.
Виртуальный дублер" реального робота.
Трехмерная модель шестиногого робота.

Концепция робототехнической платформы мониторинга состава
окружающей среды на основе наносистемных средств анализа атмосферы