Nariz electrónica: una nueva dirección en la industria de la seguridad

HOC ELECTRÓNICO — UNA NUEVA DIRECCIÓN PARA LA INDUSTRIA DE LA SEGURIDAD.

N. Dolgopolov, M. Yablokov

Paz y Seguridad No. 4, 2007

Una de las áreas prometedoras para el uso Uno de los logros de la nanotecnología en los sistemas de seguridad es la creación de medios técnicos como la “nariz electrónica”, diseñada para detectar concentraciones extremadamente bajas de sustancias cuya distribución está prohibida.

Los intentos de comprender la naturaleza del olfato han sido realizados por humanidad a lo largo del desarrollo de la sociedad.

Sin embargo, sólo recientemente se logró un avance revolucionario en el campo de los receptores olfativos y la organización del sistema de órganos olfativos.

Por sus destacados resultados de investigación, Richard Axel y Linda Buck recibieron el Premio Nobel de Medicina en 2004.

Descubrieron alrededor de 900 genes que están asociados con la misma cantidad de receptores olfativos ubicados en la parte superior de la nariz. cavidad y contiene alrededor de 50 millones de células receptoras primarias.

Las células activadas “transmiten señales” a las glomuleras y luego a las células mitrales del bulbo olfatorio.

A continuación, las señales ingresan a la corteza cerebral, donde la información de varios receptores se recopila en la «huella» final correspondiente a un olor específico (Fig. 1).

Puedes aprender en detalle sobre el mecanismo del olfato. reconocimiento en los materiales de las conferencias Nobel de R. Excel y L. Buck.

Fig. 1. Mecanismo de reconocimiento olfativo

La “nariz electrónica” suele denominarse un sistema multisensorial para reconocer los componentes de las mezclas de gases.

Estos incluyen dispositivos que funcionan según varios principios físicos presentados en la Tabla. 1, en particular analizadores portátiles de movilidad iónica y cromatógrafos de gases portátiles.

La mayoría de los dispositivos cuestan entre 20.000 y 100.000 dólares, y se prevé una reducción significativa del coste a medida que mejore la tecnología de fabricación de los propios sensores.

Hasta el momento prácticamente no existen en el mercado modelos portátiles de estos productos.

Tabla 1. Clasificación de los dispositivos de la «nariz electrónica»

A diferencia de los sistemas de sensores tradicionales que requieren elementos sensibles altamente selectivos, la «nariz electrónica» utiliza un conjunto de sensores de baja selectividad.

La capacidad de implementar sistemas de «nariz electrónica» se basa en tecnología y métodos informáticos modernos desarrollados. para procesar información multiparamétrica.

Las nanotecnologías permiten ampliar la gama de materiales utilizados para la producción de sensores y obtener características récord.

Estos incluyen materiales nanocompuestos, incluidos nanopartículas de metales, óxidos metálicos y polímeros.

Los materiales nanocompuestos son la base de un nuevo tipo de sensores químicos que tienen alta sensibilidad y selectividad, una rápida respuesta de adsorción reversible y funcionan a temperatura ambiente.

Un conjunto de materiales nanocompuestos con diferentes composiciones químicas es uno de los sistemas prometedores para la creación de la «Nariz Electrónica».

El sistema nanosensorial similar a los nervios «Nariz Electrónica» incluye los siguientes componentes (Fig. 2):

• matriz de sensores semiconductores de alta sensibilidad;
• Analizadores de composición en fase gaseosa. Los sensores de la matriz deben diferir en sus parámetros básicos (sensibilidad, selectividad); su número puede oscilar entre unas pocas y varias docenas, según el propósito y las capacidades técnicas del procesamiento de señales. Se propone utilizar nanocompuestos poliméricos y materiales nanoestructurados como elementos sensibles del sistema multisensor, que cambian su conductividad eléctrica de diferentes maneras bajo la influencia de diversas sustancias;
• un sistema de muestreo para entregar una muestra de gas del aire analizado volumen a la matriz del sensor. El sistema de muestreo incluye un sistema de regeneración diseñado para restaurar la funcionalidad de la matriz del sensor después de la exposición a componentes activos del aire;
• adaptador analógico para mantener los modos de funcionamiento de los sensores en la matriz y convertir la señal de salida de los sensores en un código digital;
• controlador digital para el procesamiento preliminar de la señal del sensor y organizar una interfaz estándar para la comunicación con una computadora;
• computadora con software para reconocimiento de imágenes.

Fig. 2. Diagrama funcional

El principio de funcionamiento del dispositivo es medir la conductividad eléctrica de los sensores durante su interacción con vapores de sustancias volátiles.

Como resultado de la adsorción de moléculas de la sustancia de prueba, la conductividad eléctrica del sensor sensible materiales aumenta.

Cada sensor no es estrictamente selectivo en relación con ningún gas. Sin embargo, la magnitud de la respuesta de cada sensor del conjunto a diferentes gases debe ser individual.

El procesamiento matemático de los datos del conjunto de sensores nos permite formar una imagen química única de la sustancia analizada.

El conjunto de sensores suele incluir de 8 a 30 elementos. Se forma una imagen única del olor de una sustancia mediante el uso de elementos sensores sensibles fabricados con nanotecnología que se diferencian entre sí.

El reconocimiento de sustancias se lleva a cabo después de «entrenar» el dispositivo.

El entrenamiento del dispositivo se lleva a cabo como resultado del registro de la respuesta del conjunto de sensores cuando se bombea a través de él un gas que contiene vapores de una sustancia individual.

Cuando se bombean secuencialmente vapores de diversas sustancias a través del dispositivo, se forma una biblioteca de respuestas, almacenadas en la memoria del dispositivo informático incluido en el dispositivo.

El reconocimiento se lleva a cabo comparando la respuesta de los analizados gas con respuestas de sustancias individuales disponibles en la biblioteca de respuestas.

Si se encuentra una respuesta similar o una combinación de respuestas, el dispositivo emite una señal sobre la presencia de vapores de una sustancia determinada o un conjunto de sustancias en el gas analizado.

La “fórmula” para el funcionamiento del dispositivo se muestra en la Fig. 3.

Fig. . 3. Principio de funcionamiento

La característica principal de este desarrollo es el uso de una nueva generación de sensores químicos basados ​​en compuestos nanoheterogéneos de película delgada.

Estos materiales combinan las propiedades características de las nanopartículas con las propiedades de los sensores de óxido fabricados con tecnología plana.

Este enfoque corresponde a las tendencias modernas en el diseño de materiales SMART, es decir. materiales que exhiben cambios fuertes, rápidos y reversibles en sus características con poca influencia externa.

El desarrollo de sensores originales se llevó a cabo con el apoyo parcial de la subvención N 06-03-32287 de la Fundación Rusa para la Investigación Básica.

Basado en el conjunto de cualidades básicas del consumidor (sensibilidad 10-14 g/cm-3, tiempo de análisis 1-2 s, peso 0,5-2 kg y precio 15-300 mil rublos), se considera el sistema «Nariz Electrónica» &#8212 ; significativamente mejor que sus homólogos nacionales y extranjeros, gracias al uso de nanotecnología original para producir un elemento sensible, protegido por una patente, y software, que es know-how.

El sistema nanosensorial de tipo neuronal «Nariz Electrónica» está diseñado para detectar en tiempo real concentraciones ultrabajas de una amplia clase de sustancias, por ejemplo, para analizar los olores de diversas sustancias, detectar vapores de compuestos orgánicos volátiles tóxicos, explosivos, drogas. , etc.

En la Fig. 4 muestra diagramas de tabaco y marihuana como ejemplo.

Fig. 4. Diagramas de olor

El sistema considerado puede convertirse en una dirección clave en el desarrollo de la industria de la seguridad en los próximos 3 a 10 años.

Tiene una amplia gama de aplicaciones y abre nuevas oportunidades para aumentar significativamente (decenas de veces) las características tácticas y técnicas de los sistemas de seguridad.

Inherentemente, sus opciones de implementación son innovadoras, ya que están dirigidas principalmente a creando nuevos productos demandados por el mercado de sistemas de seguridad.

Las áreas y porcentajes de aplicación proyectados del sistema “Nariz Electrónica” se muestran en el diagrama (Fig. 5):

• medicina (diagnóstico de enfermedades por el olor del aliento y secreciones, detección de agentes infecciosos por la respiración, determinación del nivel de alcohol y drogas en sangre, etc.);
• ecología (seguimiento del estado de la atmósfera, emisiones nocivas en empresas industriales, gases de escape de motores de combustión interna, etc.);
• seguridad (detección de explosivos, venenos, drogas, sistemas de alarma temprana contra incendios, sensores de alarma de seguridad, sistemas de detección de armas de destrucción masiva, etc.);
• agricultura (determinación de la calidad de los productos agrícolas, producción de alimentos para animales, selección acelerada, etc.);
• control de productos en las industrias de alimentos, bebidas alcohólicas, tabaco;
• ciencia ( análisis rápido de mezclas de proteínas en ingeniería genética, identificación de plantas y animales en biología, etc.);
• ingeniería mecánica (sistemas de autodiagnóstico de dispositivos basados ​​en olores internos, sensores para robótica industrial y de consumo, etc. .);
• industria minera (análisis de vapores de petróleo y gas para buscar y monitorear depósitos, identificación rápida de minerales, etc.);
• electrodomésticos (control de consumidores, determinación del grado de preparación del producto en microondas y hornos, aspiradora robótica limpiadores y desinfectantes, etc.).

Consideremos con más detalle las áreas de aplicación de la “Nariz Electrónica” para garantizar la seguridad de las instalaciones y de la población.

Fig. 5. Ámbito de aplicación

Sistemas de seguridad municipal. En los últimos años, el gobierno de Moscú ha adoptado una serie de programas urbanos (“Mi patio — mi entrada”, “Seguridad de los moscovitas”) destinados a garantizar la seguridad de las instalaciones del sector residencial y de la población.

Una de las direcciones para la implementación de estos programas es la creación e implementación de sistemas de seguridad distritales previstos por la Orden del Gobierno de Moscú de 2 de septiembre de 2003 No. 1569-RP como parte de la creación de un sistema de seguridad de la ciudad.

Un complejo de distrito típico consta de sistemas de monitoreo de video por televisión para entradas de edificios residenciales, sistemas de comunicaciones de emergencia, sistemas automatizados de servicio de despacho operativo y el centro regional para seguridad pública y control de despacho operativo.

Un complejo de software y hardware de este tipo permite su mayor desarrollo y tiene la capacidad de aceptar información adicional, incl. de los sistemas de seguridad ambiental de empresas industriales e instalaciones ambientalmente problemáticas ubicadas en la región (Fig. 6).

Fig. 6. Vigilancia ambiental

Lucha contra el contrabando, las drogas y el terrorismo. El aeropuerto de Heathrow (Inglaterra) utiliza el dispositivo Sentinel II, que es capaz de reconocer drogas, explosivos, medicamentos y otros artículos prohibidos cuando una persona con cosas pasa a través del marco.

Dichos dispositivos se pueden utilizar ampliamente en electrónica puestos de control en empresas (Fig. 7), en instituciones gubernamentales y públicas, en aduanas, en todo tipo de transporte, en el metro.

Fig. 7. Control de la introducción de sustancias prohibidas

Reemplazo de perros rastreadores. Entrenar a un perro rastreador en los Estados Unidos cuesta un promedio de $14 mil y permanece en servicio por un promedio de 8 años.

El costo de mantener un perro y su adiestrador se estima en $100 mil por año .

Ni un solo perro rastreador, a diferencia del dispositivo, es capaz de detectar el olor de una persona en una habitación donde hay un fuerte olor a gasolina, acetona, pintura o cuando las huellas están rociadas con una sustancia olorosa, como el tabaco.

Equipos para robots zapadores. Esto permitirá a los servicios determinar la presencia, cantidad y tipo de explosivo sin riesgo para las personas.

Sistemas de suministro de gas.

De conformidad con el Acuerdo de cooperación y organización de la interacción entre FSUE SNPO Eleron y Mostransgaz » Se llevó a cabo el desarrollo y prueba de un prototipo del sistema de seguridad integrado “Gabarit”, destinado a su instalación en estaciones de distribución de gas.

Las pruebas confirmaron el cumplimiento de las características técnicas y operativas del sistema, cuya funcionalidad incluía tanto la seguridad como el control de los parámetros tecnológicos (contaminación por gas, presión, temperatura, fuego).

En 2004, el “Gabarit” El sistema fue incluido en la “Lista de equipos técnicos de seguridad permitidos para su uso en las instalaciones de OAO Gazprom” (Orden de OAO Gazprom No. 42 del 9 de julio de 2004).

Actualmente se están llevando a cabo trabajos en su implementación en serie por varios institutos de diseño de OAO Gazprom con la participación de FSUE SNPO Eleron (Fig. 8).

La posterior modernización del sistema «Gabarit» mediante la inclusión del sistema nanosensorial de gas ultrasensible «Nariz Electrónica» aumentará significativamente su eficiencia.

Fig. 8. Monitorización de instalaciones de suministro de gas

Sensores de alarma de seguridad.

A diferencia de los indicadores, cuyo trabajo se basa en captar la radiación infrarroja de los seres vivos, la “Nariz Electrónica” es capaz de distinguir a una persona de otros mamíferos — digamos, ratas, que normalmente habitan en grandes cantidades en los almacenes.

Control en el lugar de trabajo.

El dispositivo puede utilizarse para garantizar un control efectivo de los empleados de las instituciones. relacionados con el abuso de alcohol, drogas y también bloquear el acceso a lugares de trabajo de alto riesgo en estado de ebriedad.

Sistemas de alarma contra incendios extratemprana.

El sistema funciona según el principio de detección por aspiración de productos de combustión volátiles con tamaños de 3 a 300 nm, formados durante la etapa de calentamiento del aislamiento de equipos eléctricos.

La tecnología para detectar partículas nanométricas de productos de calentamiento reducen significativamente (decenas de veces) el tiempo necesario para detectar un peligro de incendio.

Forense.

El uso de olores en la investigación de delitos (para el examen químico forense), en particular, la determinación del género y las características individuales de una persona utilizando diversos objetos portadores de olores (sudor, sangre, cabello, excrementos, instrumentos del crimen y otros). fuentes indirectas de olor).

Determinación del estado físico y emocional de una persona a través de sus olores (adicional a un detector de mentiras).

La Universidad de Leicester (Reino Unido) ha desarrollado un dispositivo capaz de reconocer personas y terreno por el olfato.

La “nariz electrónica» puede reconocer la marca del perfume, el aliento del propietario o el olor corporal en menos de un minuto analizando compuestos orgánicos volátiles y comparándolos con los disponibles en la base de datos.

La “nariz electrónica” permitirá a la policía determinar qué se utilizó recientemente en la habitación armas de fuego o consumió bebidas alcohólicas.

Tabla 2. Opciones para la Sistema “Nariz Electrónica”