法国初创公司研发基于硅光的仿生鼻

8/16/2022，光纤在线讯，Physics杂志7月29日文章，原作者 Rachel Berkowitz，法国硅光初创公司Aryballe新近开发了一种美分硬币大小的生物探测器。这款产品可以识别不同气体的独特气味特征，有助于检测食品新鲜度，识别假冒伪劣，还可以用来设计新款化妆品。

图：这款新器件可以对穿过气体的激光光束进行分离和重组，以收集气体中化学物质的信息。

从清晨品茗咖啡飘出的香气，有的人可能会闻到白巧克力或榛果的香味，当然也可能分辨不出这些气味。因为，气味的感受比较主观。这种新开发的气体传感技术正在寻求更客观的气味识别方法。现在，利用一种模拟人类嗅觉的方法，研究人员开发了一种基于硅芯片的微型光子传感器。该传感器可以根据气味的化学特征识别气味。今年早些时候，Aryballe的Thierry Livache在欧洲SPIE大会上介绍了这种传感器。该传感器可以确定一颗柠檬是否新鲜，新款香水是否符合消费者喜好，或者一瓶威士忌是否是假货等等。

当我们吸气时，鼻子中的400个神经连接受体都会与空气中飘散的数百万种不同化学物质的一部分相结合（VOC 挥发性有机化合物）。然后，鼻腔后部的神经元聚集来自这些受体的信号，并将检测到的整体化学特征传输到负责嗅觉识别和情绪的大脑部分。最后，大脑会识别这种气味特征或气味“指纹”，并根据个体的经验给它分配一些香味代号，例如柠檬味、花香或烟熏味等。

利用光学技术和电子“人造鼻”，可以通过在金属表面上排列成网格的被称为肽的仿生受体来模拟这一过程。带有气味的气体中的VOC与这些肽结合，改变了下层金属表面与光的相互作用。有了足够多类型的肽，这种装置就可以对与之相互作用的不同气味产生独特的光响应。然后，模式识别电子器件可以通过将这些基于光的“指纹”与数据库中的模式进行匹配从而识别这些特征气体。Aryball公司生产的这种探测器的早期版本体积较大，采用了昂贵的手持式扫描仪。现在，新器件可以嵌入在一个22毫米长、4.7毫米宽的硅芯片上。

该器件由Livache团队和法国替代能源和原子能委员会CEA Leti合作开发。通过监测VOC在128个460 nm宽波导（其中一半嵌入了肽）下的光束路径中引起的位移来检测VOC的存在。这些波导成对分组，每对形成一个传感器。当光进入传感器，被引导到一对波导中的光会被分离，然后在末端重新整合。

每个传感器的设置，使其左侧波导位于一个充满肽受体的2 μm深的阱中，右侧是一个不与气体样品相互作用的直通道。VOC的存在使左侧光束的路径相对于右侧光束发生偏移，从而改变其相对相位。确切的相变取决于肽阱中VOC的类型，从而使研究小组能够获得有关VOC化学组成的信息。

尽管已经证明该方案可用于含有一种或两种VOC的气体样品，但到目前为止，这种方案大多用于检测生物液体中的化合物。Livache的团队通过添加多个传感器，在VOC扩散之前快速与之相互作用，现在证明它们可以成功识别和区分ppm体积浓度下的7种不同的气味。

由于能够快速、经济地检测气体中的化合物，CEA Leti的Loic Laplatine表示，他“很高兴看到这些传感器可以应用于环境问题，例如，减少食物腐败和改善废物管理”。Laplatine与Livache合作开发了这款新传感器硬件。

Livache称，这款传感器的生产过程应该与目前使用的低成本大规模生产技术完全兼容，这将使厂商能够相对容易地将该传感器整合到现有技术中，例如汽车和消费品包装中。他还认为，这款传感器还可以用来帮助那些失去嗅觉的人。

原文链接https://physics.aps.org/articles/v15/119