对电子鼻进行调零研究，以监测空气质量，诊断疾病

 
描述由微天平组成的气体传感器阵列，该天平上涂有称为金属有机骨架的纳米多孔材料薄膜。俄勒冈州立大学OSU工程研究学院的Melanie Huynh的Arni Sturluson将科学推向了进一步发展，通过测量患者呼吸中的气体来监测空气质量，检测安全威胁和诊断疾病的电子鼻。
OSU工程学院化学工程学助理教授Cory Simon与化学工程学教授Chih-Hung Chang合作发表的最新研究重点是被称为金属有机框架(MOF)的材料。
该研究针对使用MOF作为气体传感器的一个关键但尚未深入研究的障碍：在数十亿个可能的MOF中，您如何确定用于构建最佳电子鼻的正确MOF?
与海绵类似，MOF具有纳米尺寸的孔并选择性吸附气体。它们具有可调性，因此非常适合用于传感器阵列，从而使工程师可以使用多种材料，使基于MOF的传感器阵列可以提供详细的信息。
根据构成气体的成分，每个MOF中都会吸附不同量的气体。这意味着可以通过使用微量天平测量MOF阵列中的吸附气体来推断气体的组成。
挑战在于，所有MOF都吸收所有气体-程度不同，但是尽管如此，完美的选择性仍使工程师无法简单地说：“让我们将MOF专门用于二氧化碳，将MOF专门用于二氧化硫，然后将另一种专门用于二氧化氮。”
西蒙说：“为气体传感器阵列计算MOF并不是那么简单，因为阵列中的每个MOF都会明显吸收所有三种气体。”

 
可视化原型金属有机框架IRMOF-1的晶体结构。气体分子容易吸附到IRMOF-1的纳米孔中。图片提供：OSU工程学院的Cory Simon。人的鼻子依靠大约400种不同类型的嗅觉受体来解决这个问题。就像MOF一样，每个嗅觉受体都被许多不同的气味激活，并且每种气味都激活了许多不同的受体。大脑解析响应模式，使人们能够区分多种不同的气味。
西蒙说：“在我们的研究中，我们创建了一个数学框架，该模型使我们能够基于MOF的吸附特性来决定哪种MOF组合最适合气体传感器阵列。” “在吸附气体质量的测量中不可避免地会有一些小误差，这些误差将破坏基于传感器阵列响应的气体成分预测。我们的模型评估了给定的MOF组合将如何防止这些小误差由于破坏了气体成分的估算而产生的错误。”
西蒙说，尽管这项研究主要是数学建模，但科学家们使用了真实MOF中的实验吸附数据作为输入，并补充说，Chang是一位实验学家，“我们正在与他合作，制作出真实的电子鼻来检测空气污染物。”
西蒙说：“我们目前正在寻求外部资金，以将这一新概念付诸实际。” “由于本文的原因，我们现在有了一种合理的方法来设计感官阵列，其中包括用分子模型模拟MOF中的气体吸附和模拟以预测其吸附特性，然后使用我们的数学方法来筛选MOF的各种组合以获得最精确的传感器阵列。”
这意味着，工程师可以使用计算能力来为电子鼻选择最佳的MOF集合，而不是通过实验反复试验的方法来决定在传感器阵列中使用哪种MOF。
这种鼻子的另一个令人兴奋的应用可能是诊断疾病。人类释放出的挥发性有机化合物(例如通过呼吸)充满了多种疾病的生物标志物，研究表明，狗(嗅觉受体的数量是人类的两倍)可以通过鼻子检测疾病。
尽管它们的奇妙之处在于，但是狗鼻子对于广泛的诊断用途并不像精心制作和制造的传感器阵列那样实用。
计算MOF研究的结果发表在ACS Applied Materials&Interfaces中。
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