"ЭЛЕКТРОННЫЙ HOC" - НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ИНДУСТРИИ БЕЗОПАСНОСТИ

Н. Долгополов, М. Яблоков

Мир и безопасность №4, 2007

Одним из перспективных направлений использования достижений нанотехнологий в системах безопасности является создание технических средств типа «Электронный нос», предназначенных для обнаружения сверх низких концентраций запрещенных к распространению веществ. Попытки понять природу запаха предпринимались человечеством на протяжении всего развития общества. Однако революционный прорыв в области обонятельных рецепторов и организации системы органов обоняния был сделан лишь в последнее время. За выдающиеся результаты исследований Ричард Эксел и Линда Бак получили в 2004 г. Нобелевскую премию в области медицины. Они открыли около 900 генов, которые связаны с таким же количеством обонятельных рецепторов, расположенных в верхней части носовой полости и содержащие около 50 млн первичных рецепторных клеток. Активированные клетки «передают сигналы» в гломулеры, а затем в митральные клетки обонятельной луковицы. Далее сигналы поступают в кору головного мозга, где информация от различных рецепторов собирается в конечный «отпечаток», соответствующий определенному запаху (рис. 1). Подробно познакомиться с механизмом обонятельного распознавания можно в материалах нобелевских лекций Р. Эксела и Л. Бак.

Рис. 1. Механизм обонятельного распознавания

«Электронным носом» принято называть мультисенсорную систему распознавания компонентов газовых смесей. К ним относятся приборы, работающие на различных физических принципах, представленных в табл. 1, в частности портативные анализаторы подвижности ионов, портативные газовые хроматографы. Большинство приборов имеют стоимость от $20 тыс. до $100 тыс., при этом прогнозируется существенное снижение стоимости по мере совершенствования технологии изготовления самих сенсоров. До настоящего времени на рынке данной продукции практически отсутствуют портативные модели.

Таблица 1. Классификация приборов типа "Электронный нос"

В отличие от традиционных сенсорных систем, требующих высокоселективных чувствительных элементов, «электронный нос» использует набор низкоселективных сенсоров. Возможность реализации систем типа «электронный нос» опирается на развитые современные средства вычислительной техники и методы обработки многопараметрической информации.

Нанотехнологии позволяют расширить набор материалов, используемых для производства сенсоров, и получить рекордные характеристики. К их числу относятся нанокомпозиционные материалы, включающие наночастицы металлов, оксидов металлов, полимеры. Нанокомпозиционные материалы являются основой нового типа химических сенсоров, обладающих высокой чувствительностью и селективностью, быстрым обратимым адсорбционным откликом и работающие при комнатной температуре. Совокупность нанокомпозиционных материалов с различным химическим составом является одной из перспективных систем для создания «Электронного носа».

Наносенсорная нейроподобная система «Электронный нос» включает в себя следующие компоненты (рис. 2):

• матрицу высокочувствительных полупроводниковых сенсоров;
• анализаторов состава газовой фазы. Сенсоры в матрице должны различаться по своим основным параметрам (чувствительность, селективность), число их может колебаться от единиц до нескольких десятков в зависимости от назначения и технических возможностей обработки сигнала. В качестве чувствительных элементов мультисенсорной системы предполагается использовать полимерные нанокомпозиты и наноструктурированные материалы, которые по-разному меняют свою электропроводность под воздействием различных веществ;
• систему пробоотбора для доставки газовой пробы из анализируемого воздушного объема к сенсорной матрице. В систему пробоотбора входит система регенерации, предназначенная для восстановления работоспособности сенсорной матрицы после воздействия на нее активных компонентов воздушной среды;
• аналоговый адаптер для поддержания режимов работы сенсоров в матрице и преобразования выходного сигнала сенсоров в цифровой код;
• цифровой контроллер для предварительной обработки сигнала сенсоров и организации стандартного интерфейса для связи с компьютером;
• компьютер с программным обеспечением для распознавания образов.

Рис. 2. Функциональная схема

Принцип работы прибора заключается в измерении электропроводности сенсоров при их взаимодействии с парами летучих веществ. В результате адсорбции молекул исследуемого вещества электропроводность чувствительных материалов сенсоров увеличивается. Каждый сенсор не является строго селективным по отношению к какому-либо газу. Однако величина отклика каждого сенсора из набора на разные газы должна быть индивидуальна. Математическая обработка данных сенсорного массива позволяет сформировать уникальный химический образ анализируемого вещества. Сенсорный массив обычно включает от 8 до 30 элементов. Уникальный образ запаха вещества образуется за счет использования отличающихся друг от друга чувствительных элементов сенсоров, изготовленных с применением нанотехнологий.

Распознавание веществ производится после «обучения» прибора. Обучение прибора осуществляется в результате записи отклика сенсорного массива при прокачке через него газа, содержащего пары индивидуального вещества. При последовательной прокачке через прибор паров различных веществ формируется библиотека откликов, хранящаяся в памяти вычислительного устройства, входящего в состав прибора. Распознавание осуществляется путем сравнения отклика от анализируемого газа с откликами от индивидуальных веществ, имеющихся в библиотеке откликов. В случае нахождения похожего отклика или комбинации откликов, прибор выдает сигнал о наличии в анализируемом газе паров данного вещества или набора веществ. «Формула» функционирования прибора приведена на рис. 3.

Рис. 3. Принцип работы

Основная особенность данной разработки состоит в использовании нового поколения химических сенсоров, основанных на наногетерогенных тонкопленочных композитах. Эти материалы сочетают в себе свойства, характерные для наночастиц со свойствами оксидных сенсоров, выполненных по планарной технологии. Такой подход соответствует современным тенденциям в конструировании SMART-материалов, т.е. материалов, проявляющих сильное, быстрое и обратимое изменение своих характеристик при малом внешнем воздействии. Разработка оригинальных сенсоров выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ N 06-03-32287.

По совокупности основных потребительских качеств (чувствительность 10-14 г/см-3, время анализа 1-2 с, масса 0,5-2 кг и цена 15-300 тыс. руб.) рассматриваемая система «Электронный нос» - значительно лучше отечественных и зарубежных аналогов, благодаря использованию оригинальной нанотехнологий получения чувствительного элемента, защищенной патентом, и программному обеспечению, являющемуся ноу-хау.

Наносенсорная нейроподобная система «Электронный нос» предназначена для обнаружения в реальном масштабе времени сверхнизких концентраций широкого класса веществ, например для анализа запахов различных веществ, обнаружения паров токсичных летучих органических соединений, взрывчатых веществ, наркотиков и т.п. На рис. 4 в качестве примера приведены диаграммы табака и марихуаны.

Рис. 4. Диаграммы запахов

Рассматриваемая система в ближайшие 3-10 лет может стать ключевым направлением развития индустрии безопасности. Она имеет широкий спектр применения и открывает новые возможности для существенного повышения (в десятки раз) тактико-технических характеристик систем безопасности. По своей сути варианты ее исполнения являются инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности. Сферы и прогнозируемые доли применения системы «Электронный нос» приведены на диаграмме (рис. 5):

• медицина (диагностика заболеваний по запаху дыхания и выделений, обнаружение возбудителей инфекций по дыханию, определение уровня алкоголя и наркотиков в крови и т.п.);
• экология (контроль состояния атмосферы, вредных выбросов на промышленных предприятиях, выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и т.п.);
• безопасность (обнаружение взрывчатых веществ, ядов, наркотиков, системы ранней пожарной сигнализации, датчики охранной сигнализации, системы обнаружения оружия массового поражения и т.п.);
• сельское хозяйство (определение качества сельхозпродукции, производство кормов для животных, ускоренная селекция и т.п.);
• контроль продуктов в пищевой, ликеро-водочной, табачной промышленности;
• наука (быстрый анализ белковых смесей в генной инженерии, идентификация растений и животных в биологии и т.п.);
• машиностроение (системы самодиагностики приборов по внутренним запахам, сенсоры промышленной и потребительской робототехники т.п.);
• добывающая промышленность (анализ паров нефти и газа для поиска и мониторинга месторождений, быстрая идентификация минералов и т.п.);
• бытовая техника (потребительский контроль, определение степени готовности продукта в микроволновых печах и духовках, роботы-пылесосы и дезинфекторы и т.п.).

Более подробно рассмотрим сферы применения «Электронного носа» в задачах обеспечения безопасности объектов и населения.

Рис. 5. Сфера применения

Системы обеспечения безопасности города. В последние годы Правительством Москвы принят ряд городских программ («Мой двор - мой подъезд», «Безопасность москвичей»), направленных на обеспечение безопасности объектов жилого сектора и населения. Одним из направлений реализации этих программ является создание и внедрение районных систем обеспечения безопасности, предусмотренных Распоряжением Правительства Москвы от 02.09.03 г. №1569-РП в рамках создания системы обеспечения безопасности города. Типовой районный комплекс состоит из телевизионной системы видеомониторинга подъездов домов жилого сектора, системы экстренной связи, автоматизированной системы оперативно-диспетчерской службы и районного центра безопасности населения и оперативно-диспетчерского управления. Такой программно-аппаратный комплекс позволяет осуществлять его дальнейшее развитие и имеет возможность принять дополнительную информацию, в т.ч. от систем экологической безопасности промышленных предприятий и экологически проблемных объектов, расположенных на территории района (рис. 6).

Рис. 6. Экологический мониторинг

Борьба с контрабандой, наркотиками и терроризмом. Аэропорт Хитроу (Англия) использует прибор Sentinel II, способный распознавать наркотики, взрывчатку, лекарства и другие запрещенные к провозу предметы, когда человек с вещами проходит сквозь рамку. Такие приборы могут найти широкое применение в электронных проходных на предприятияx (рис. 7), в правительственных и общественных учреждениях, на таможне, на всех видах транспорта, в метрополитене.

Рис. 7. Контроль проноса запрещенных веществ

Замена собак-ищеек. Обучение одной собаки-ищейки в США, в среднем стоит $14 тыс., она находится на службе в среднем 8 лет. Издержки на содержание одной собаки и ее инструктора оцениваются в $100 тыс. в год. Ни одна собака-ищейка, в отличие от прибора, не способна уловить запах человека в помещении, где сильно пахнет бензином, ацетоном, краской, или когда следы присыпаны пахучим веществом, например, табаком.

Оснащение саперных роботов. Это позволит службам определять наличие, количество и тип взрывчатого вещества без риска для людей.

Системы газоснабжения. В соответствии с Соглашением о сотрудничестве и организации взаимодействия ФГУП СНПО «Элерон» и ООО«Мострансгаз» проведены разработка и испытания опытного образца интегрированной системы безопасности «Габарит», предназначенной для установки на газораспределительных станциях. Испытания подтвердили соответствие техническим и эксплуатационным характеристикам системы, в функциональные возможности которой были заложены как охрана, так и контроль технологических параметров (загазованность, давление, температура, пожар). В 2004 г. система «Габарит» включена в «Перечень технических средств охраны, разрешенных к применению на объектах ОАО «Газпром» (приказ ОАО «Газпром» № 42 от 9.07.2004г). В настоящее время осуществляются работы по серийному внедрению ее целым рядом проектных институтов ОАО «Газпром» с участием ФГУП СНПО «Элерон» (рис. 8). Последующая модернизация системы «Габарит» путем включения в ее состав сверхвысокочувствительной газовой наносенсорной системы «Электронный нос» позволит существенно повысить ее эффективность.

Рис. 8. Мониторинг объектов газоснабжения

Датчики охранной сигнализации. В отличие от индикаторов, работа которых основана на улавливании инфракрасного излучения живых существ, «Электронный нос» способен отличить человека от других млекопитающих - скажем, крыс, обычно во множестве населяющих складские помещения.

Контроль на рабочем месте. Прибор может быть задействован в обеспечении эффективного контроля служащих учреждений в отношении злоупотреблений алкоголем, наркотиками, а также блокировать доступ к рабочим местам повышенной опасности в состоянии опьянения.

Системы сверхранней пожарной сигнализации. Система функционирует по принципу аспирационного обнаружения летучих продуктов возгорания размерами 3-300 нм, образующихся на стадии нагрева изоляции электрооборудования. Технология обнаружения наноразмерных частиц продуктов нагрева позволит существенно (в десятки раз) уменьшить время обнаружения пожароопасной ситуации.

Криминалистика. Использование запахов в расследовании преступлений (для судебно-химической экспертизы), в частности определение половой и индивидуальной характеристик человека по различным объектам -запахоносителям (пот, кровь, волосы, экскременты, орудия преступления и другие опосредованные источники запаха). Определение физического и эмоционального состояния человека по его запахам (дополнение к детектору лжи). В Лестерском университете (Великобритания) разработали устройство, способное распознавать людей и местность по запаху. «Электронный нос» может узнать марку духов, владельца дыхания или запаха тела менее чем за минуту, анализируя летучие органические соединения и сравнивая их с имеющимися в базе данных. «Электронный нос» позволит милиции определить, что в помещении недавно применялось огнестрельное оружие или употреблялись алкогольные напитки.

Таблица 2. Варианты исполнения системы «Электронный нос»

Идентификация денег и ценных бумаг по запаху. Установление факта их соприкосновения с различными предметами и конкретными людьми, определение места их хранения и способа транспортировки.

Быстрое тестирование безопасности новых материалов, продуктов их сгорания и составов для пожаротушения.

Сенсоры утечки различных веществ в промышленности.

Сенсоры горючих газов в горнодобывающей промышленности.

Обнаружение запахов во вредных условиях (радиация, отравляющие вещества, высокие температуры и т.п.).

Организация производства различных вариантов исполнения наносенсорной нейроподобной системы «Электронный нос», предназначенных для различных сегментов российского рынка (табл. 2), планируется на базе функционирующих производственных площадей ФГУП «СНПО «Элерон». Для технологического обеспечения выпуска и контроля нанопродукции, метрологического обеспечения и испытания наносистем разработан проект по созданию на ФГУП «СНПО «Элерон» инфраструктуры для использования нанотехнологий в разработках предприятия. Проект предусматривает в 2007-2009 гг. создание специализированной нанолаборатории площадью 280 м2 по выпуску конструктивно законченных чувствительных элементов для технических средств систем различного назначения, работающих на различных физических принципах. В настоящее время проект проходит государственную экспертизу.

Таким образом, имея широкий спектр применения, наносенсорная нейроподобная система «Электронный нос» в ближайшие время может стать ключевым направлением развития индустрии безопасности, открывающим новые возможности для повышения в десятки раз тактико-технических характеристик систем безопасности. По своей сути варианты ее исполнения являются инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности. Все это позволит обеспечить национальную безопасность и поддержание высоких темпов экономического роста.

Об авторах: Н. Долгополов, кан. техн. наук, М. Яблоков, кан. физ.-мат. наук

Статья опубликована на сайте: 24.06.2008