感觉系统/神经感觉植入/未来方向/电子鼻

气味电子测量

如今，气味可以通过多种电子方式进行测量，一些例子包括：质谱法、气相色谱法、拉曼光谱法，以及最近的电子鼻。一般来说，它们假设不同的嗅觉受体对特定的分子理化性质具有不同的亲和力，并且这些受体的不同激活会产生反映气味的空间-时间活动模式。

电子鼻

俄罗斯航天局的飞行工程师亚历山大·米苏尔金在国际空间站上使用JPL电子鼻（ENose）实验。

电子鼻是一种基于化学传感器阵列和模式识别的人工气味传感装置。它们用于识别和量化溶解在空气（或其他载体物质）中的物质。电子鼻由一个采样装置（类似于鼻子）、一个传感器阵列（类似于嗅觉受体神经元）和一个计算单元（类似于大脑）组成。

传感器阵列

就像动物鼻子一样，使用非特异性传感器。这不仅是因为找到非常特异性的传感器非常困难，而且还希望覆盖各种可能的化合物，而无需为每个化合物配备一个传感器。此外，如果处理基于多个传感器的信息，则更健壮、更精确、更高效。当这些传感器与化合物接触时，它们的电气特性会发生变化（例如，电阻增加）。这种变化会导致电压变化，该电压变化被数字化（AD转换器）。

最常用的传感器类型包括金属氧化物半导体（MOS）、石英晶体微天平（QCM）、导电聚合物（CP）和表面声波（SAW）传感器。另一种很有前景的技术是使用蛋白质作为传感器的生物电子鼻。也可以使用多种传感器的组合来获得更精确的结果，并结合多种传感器类型的优点，例如更好的时间响应速度与更好的灵敏度。

示例：导电聚合物传感器的工作原理

导电聚合物传感器由约 2-40 个不同的导电聚合物（有机分子长链）组成。一些气味分子渗透到聚合物薄膜中，导致薄膜膨胀，从而增加其电阻。许多类型聚合物电阻的增加可以用渗流理论来解释。^[1] 由于材料的化学性质，不同的聚合物对相同气味有不同的反应。

计算

传感器信号必须使用模式识别算法与气味分子混合物匹配。可以创建一个潜在组合的数据库，并在呈现气味时使用多元统计方法找到最佳匹配，或者可以训练神经网络来识别模式。通常也使用主成分分析来降低传感器数据的维数。

应用

电子鼻有很多应用。它们被用于航空航天和其他工业领域，用于检测和监测危险或有害物质，并用于质量控制。在安全方面的应用可能是检测毒品或爆炸物。电子鼻有一天可能能够取代警犬。一个非常强大的应用可能是诊断改变呼吸化学成分或排泄物或血液气味的疾病，从而有可能替代侵入性诊断技术。它也可以用来诊断癌症，因为某些癌细胞可以通过其挥发性有机化合物谱来识别。通过气味进行癌症诊断已经被发现对狗、苍蝇有效，^[2] 但实际上具有高灵敏度和特异性的方法仍在开发中。另一个医疗应用是基于电子鼻的嗅觉植入来治疗嗅觉丧失（无法感知气味）。这也还在开发中。相比之下，电子鼻已经用于环境监测和保护。在机器人技术中，电子鼻可以用来追踪空气中的气味或地面的气味。对于机器人技术来说，特别有趣的是更好地理解昆虫的嗅觉系统，因为为了利用气味进行导航或定位气味源，必须使用经常被忽视的时间刺激信息。

昆虫可以追踪气味，因为它们可以在大约 150 毫秒内对变化做出反应，并且它们的一些受体能够描绘出至少 10 Hz 以上频率的快速气味浓度变化。相比之下，导电聚合物和金属氧化物电子鼻的响应时间在秒到分钟的范围内，^[1] 只有少数例外报道在几十毫秒的范围内。