Краткая идея проекта
- Создать распределённую биосенсорную сеть для городского мониторинга качества воздуха, объединяющую: биологический распознающий элемент (живые клетки/энзимы/репортерные бактерии или клетки), физические трансдукеры (оптические, электрохимические, микрофлюидные) и инженерные модули сбора данных, питания и связи.
Ключевые научные вопросы
1. Чувствительность и предел обнаружения: какие концентрации целевых загрязнителей можно надёжно детектировать с биологическим элементом? (цель: LOD для NO₂, O₃, выбранных VOC — пример: ${\mathrm{LOD}}_{N{O}_2}<10\mathrm{ppb}$).
2. Селективность: как отделить целевой сигнал от мешающих веществ и фона? (метрики селективности — отношение отклика на цель к отклику на интерферент $>10$).
3. Динамика отклика: время отклика и восстановления при переменных концентрациях (цель: время отклика $t_{resp}<5\min$, восстановление $t_{recov}<30\min$).
4. Стабильность и срок службы: как долго биосенсор сохраняет характеристики в уличных условиях (цель: стабильность $>30$ дней при регулярном обслуживании)?
5. Интеграция биологии и физики: как оптимально передавать биологический сигнал в электрооптический выход с минимальным шумом (оценка SNR: $\mathrm{SNR}=\frac{S}{N}>10$)?
6. Средовые влияния: влияние температуры, влажности, пыли и ультрафиолета на работу сенсора.
7. Биобезопасность и регуляторика: гарантии отсутствия распространения живых модифицированных организмов (MLO) и соответствие нормам.
8. Масштабируемость и стоимость: можно ли производить сенсоры массово при цене на узел, приемлемой для городской сети?
Методы (по направлениям)
- Биология:
- Выбор и/или инженерия репортерных организмов/биомолекул (гены-репортеры, ферменты, белки связывания).
- Оптимизация чувствительности/селективности через directed evolution или конструирование биочувствительных доменов.
- Тесты жизнеспособности, долговечности, внедрение «kill-switch» и физических барьеров.
- Физика / трансдукция:
- Разработка микрооптических/электрохимических чипов для конверсии биосигнала (флуоресценция, электрохимический ток, потенциал).
- Микрофлюидика для равномерной подачи воздуха/концентраторов и снижения матричных эффектов.
- Шумовой анализ, фильтрация сигналов, измерение $\mathrm{SNR}$ и частотно-временной характеристики.
- Инженерия системы:
- Печатные платы, энергоэффективная электроника, беспроводная связь (LPWAN/Wi‑Fi), встроенная калибровка.
- Корпуса с климат-контролем (темп./влажн.) и самодиагностикой.
- Платформа сбора и обработки данных (передача, хранение, алгоритмы очистки и коррекции).
- Валидация и моделирование:
- Лабораторная калибровка с эталонными газовыми смесями; полевые испытания в со-локализации с эталонными анализаторами.
- Модели переноса газа и пространственной интерполяции (Kriging), модель погрешностей.
- Статистическая проверка (корреляция, Bland–Altman, RMSE).

Критерии оценки успешности (количественные и качественные)
- Предел обнаружения (LOD): для целевых газов, например NO₂ $\mathrm{LOD}<10\mathrm{ppb}$, для ключевых VOC — $\mathrm{LOD}<1\mathrm{ppb}$ (настраиваемо по цели).
- Точность и согласованность: коэффициент корреляции с референсом $r>0.9$ в рабочем диапазоне; RMSE относительная $\mathrm{RMSE}<15\%$.
- Воспроизводимость: межпроизводственная вариабельность коэффициента вариации $\mathrm{CV}<10\%$.
- Время отклика: $t_{resp}<5\min$; время восстановления $t_{recov}<30\min$.
- Селективность: отношение откликов целевого/интерферента $>10$.
- Стабильность/срок службы: стабильная калибровка без замены реагента минимум $30$ дней; деградация отклика $<20\%$ за $90$ дней.
- Энергоэффективность: среднее потребление $<1\mathrm{W}$ (или автономность от батареи $\ge 24\mathrm{h}$).
- Биобезопасность: отсутствие жизнеспособных организмов в выбросе/отходах — снижение числа колоний $>99.99\%$ (остаток $<10^{-4}$ от исходного).
- Стоимость и масштаб: себестоимость узла $\le \$200$ при серийном выпуске (целевая).
- Надёжность передачи данных: процент потерянных пакетов $<5\%$; задержка передачи данных $<60\mathrm{s}$.
- Принятие городом: пилот с $>50$ узлами, демонстрация улучшения пространного разрешения по сравнению с сетью эталонных станций (уменьшение неопределённости карт концентраций на $>30\%$).
Краткий план экспериментов и этапы
1. Лабораторный этап: разработка биореагента → интеграция с трансдюсером → калибровка на эталонах.
2. Инженерный этап: прототип корпуса, питание, связь; стресс-тесты (темп./влаг./пыль).
3. Полевой пилот (со-локализация с референсом): $1–3$ месяца, $>5$ точек; сбор данных для статистической валидации.
4. Масштабирование и долговременная эксплуатация: развертывание $50+$ узлов, регулярное обслуживание и обновление ПО/калибровки.
5. Оценка риска и сертификация по биобезопасности и экологическим нормам.
Ключевые показатели для отчёта
- Таблица LOD/точности/времени отклика по каждому загрязнителю.
- Графики калибровки и Bland–Altman; карта распределения показаний сети до/после внедрения.
- Отчёт по биобезопасности и процедурам утилизации.
Если нужно, могу кратко расписать предложенные значения LOD/времён/стоимости под конкретные целевые загрязнители (NO₂, O₃, PM2.5, толуол и т.д.).