Массивы сенсоров представляют собой интеграцию множества индивидуальных сенсорных элементов, каждый из которых обладает частичной селективностью к определённым химическим веществам. Их работа основана на принципах кросс-чувствительности и сигнальной интеграции, что позволяет идентифицировать сложные смеси компонентов, которые не поддаются точной детекции одиночными сенсорами. Электронный нос (Electronic Nose, e-nose) является практической реализацией этой концепции и имитирует способность биологических обонятельных систем распознавать ароматы и летучие соединения.
Ключевым элементом массивов является сенсорная решётка, состоящая из 8–128 и более элементов, каждый из которых демонстрирует различную чувствительность к классу молекул. Сенсорные элементы могут быть основаны на:
Работа массивов сенсоров основывается на многоразмерной идентификации паттернов. Каждый сенсор генерирует сигнал, изменяющийся в зависимости от природы и концентрации вещества. Суммарный отклик массива формирует уникальный “химический отпечаток” (fingerprint) исследуемой смеси. Для обработки этих паттернов применяются методы многомерного анализа данных:
Важно, что отдельные сенсоры не требуют высокой селективности; значимым становится именно коллективный отклик массива, который обеспечивает высокую чувствительность и способность к распознаванию сложных запаховых композиций.
Полимерные массивы Полимерные сенсорные элементы основаны на изменении их электрических свойств при сорбции газов. Используются как для летучих органических соединений, так и для определения паров воды, аммиака или кислотных газов. Основное преимущество — высокая чувствительность при относительно низкой стоимости. Недостаток — медленная десорбция и возможная деградация при длительной эксплуатации.
Полупроводниковые массивы Окисные полупроводниковые сенсоры изменяют проводимость при взаимодействии с окисляющими или восстанавливающими газами. Их преимущество — долговечность и высокая чувствительность к низким концентрациям, однако требуется нагрев до 200–400°C, что увеличивает энергопотребление и усложняет конструкцию.
Пьезоэлектрические массивы (QCM, SAW) Пьезоэлектрические сенсоры регистрируют изменение частоты колебаний при адсорбции молекул на поверхности. Эти сенсоры обладают высокой селективностью при использовании модифицированных покрытий и чувствительны к массам на уровне наносекундных изменений.
Оптические массивы Оптические сенсоры используют флуоресценцию, поглощение или изменение цвета чувствительных покрытий. Основное достоинство — быстрый отклик и возможность визуализации паттернов. Часто применяются в комбинации с полимерными или наноматериальными покрытиями для повышения чувствительности.
Электронный нос представляет собой интегрированную систему, включающую сенсорный массив, модуль считывания сигналов, и систему обработки данных. Основные области применения:
Эффективность электронного носа определяется не только качеством сенсоров, но и алгоритмами обработки данных. Системы с применением искусственного интеллекта способны распознавать смеси с минимальным содержанием целевых соединений, предсказывать изменения состава и обучаться новым “ароматам” без замены сенсорной матрицы.
Современные направления включают:
Массивы сенсоров и электронный нос являются примером супрамолекулярного подхода в химии, где свойства системы формируются не только структурой отдельных элементов, но и их коллективными взаимодействиями, обеспечивая уникальные возможности в детекции, анализе и контроле химических веществ.