Rozdział 9: Elektroniczny nos

Elektroniczny nos to rodzaj elektronicznej technologii wykrywania zaprojektowanej specjalnie w celu wykrywania aromatów lub smaków. Elektroniczne wykrywanie to moc powielania ludzkich zmysłów za pomocą matryc czujników i algorytmów rozpoznawania wzorców. Ta umiejętność jest określana jako "wykrywanie elektroniczne".

Od 1982 roku naukowcy prowadzą badania nad rozwojem technologii, które mogą wykrywać i identyfikować zapachy i smaki. Technologie te są często określane jako elektroniczne nosy. Etapy procesu rozpoznawania są analogiczne do etapów ludzkiego węchu. Etapy te są przeprowadzane w celu identyfikacji, porównania, kwantyfikacji i kilku innych zastosowań, takich jak przechowywanie i wyszukiwanie danych. Niektóre z tych gadżetów znajdują zastosowanie w sektorze przemysłowym.

Analiza sensoryczna człowieka, chemosensory czy chromatografia gazowa to trzy metody najczęściej stosowane w procesie oceny zapachów we wszystkich sektorach gospodarki. Ta ostatnia metoda dostarcza informacji na temat lotnych chemikaliów organicznych, ale związek między danymi analitycznymi a średnią percepcją zapachu nie jest bezpośredni ze względu na różne interakcje, które mogą wystąpić między wieloma różnymi składnikami zapachowymi.

Biologiczny składnik detektora zapachu Wasp Hound składa się z pięciu os pasożytniczych, które zostały przeszkolone do roju w reakcji na obecność określonej substancji chemicznej. Mechanicznym elementem detektora zapachu Wasp Hound jest kamera wideo.

Pomysł, że niemożliwe jest wykrycie zapachu, został przedstawiony opinii publicznej przez naukowca Alexandra Grahama Bella, który w 1914 roku stwierdził, co następuje:

Czy kiedykolwiek próbowałeś określić ilościowo zapach? Czy jesteś w stanie określić, czy jeden aromat jest dwa razy silniejszy od drugiego? Czy możliwe jest ilościowe określenie stopnia, w jakim dwa różne rodzaje zapachów różnią się od siebie? Od zapachu róż i fiołków aż po aromat asafetidy, jest aż nadto jasne, że istnieje ogromna różnorodność zapachów, które są dla nas dostępne. Jednak nie będziesz w stanie rozwinąć nauki o zapachu, jeśli nie będziesz w stanie określić ilościowo ich podobieństw i rozróżnień. Jeśli jesteś zdeterminowany, aby odkryć nową gałąź nauki, spróbuj zmierzyć zapachy.

- Alexander Graham Bell, 1914

Po tym, jak Bell wygłosił tę uwagę, minęło wiele dziesięcioleci, ale nadal nie było czegoś takiego jak nauka o węchu i dopiero w 1950 roku i później osiągnięto znaczący postęp w tej dziedzinie.

Ponieważ ludzki węch jest procesem, który działa jak system nieseparacyjny - to znaczy, że zapach lub smak jest rozpoznawany jako globalny odcisk palca - elektroniczny nos został zaprojektowany w celu naśladowania ludzkiego węchu.

Oto niektóre z czujników, które są najczęściej używane w nosach elektronicznych:

Urządzenia MOSFET są rodzajem tranzystora, który może być używany do powiększania sygnałów elektrycznych lub przełączania się między innymi rodzajami sygnałów. Opiera się to na założeniu, że cząsteczki, które docierają do obszaru czujnika, uzyskują ładunek dodatni lub ujemny, co powinno mieć bezpośredni wpływ na pole elektryczne obecne wewnątrz tranzystora MOSFET. Dlatego wprowadzenie każdej kolejnej naładowanej cząstki wpłynie bezpośrednio na tranzystor w odmienny sposób, powodując zmianę sygnału MOSFET, który może być następnie odczytany przez systemy komputerowe zaprojektowane do rozpoznawania wzorców. Dlatego w praktyce każda obserwowalna cząsteczka będzie miała swój jedyny w swoim rodzaju sygnał, który system komputerowy będzie musiał rozszyfrować.

Polimery organiczne, które mogą przewodzić elektryczność, są określane jako polimery przewodzące.

Kompozyty polimerowe są tworzone z polimerów nieprzewodzących z dodatkiem materiału przewodzącego, takiego jak sadza. Są one stosowane w sposób analogiczny do polimerów przewodzących.

Mikrowaga kwarcowa, często znana jako QCM, jest techniką określania gęstości masy danego regionu poprzez monitorowanie przesunięcia częstotliwości rezonatora kwarcowego. Informacje te mogą zostać wprowadzone do bazy danych i wykorzystane jako odniesienie w późniejszym czasie.

SAW to skrót od powierzchniowej fali akustycznej, która odnosi się do kategorii systemów mikroelektromechanicznych (MEMS), które wyczuwają fakt fizyczny poprzez modyfikację powierzchniowych fal akustycznych.

Zminiaturyzowane wersje spektrometrów masowych mogą pewnego dnia służyć jako zamiennik dla bardziej wszechstronnych narzędzi do analizy gazów. Badania przepływu powietrza wokół psich nosów, a także eksperymenty przeprowadzone na modelach naturalnej wielkości, wykazały, że cykliczna "aktywność wąchania", która jest porównywalna z prawdziwą psą, jest pomocna pod względem zwiększonego zasięgu i szybkości reakcji.

Aby zbudować bazę danych referencji, pierwszą rzeczą, która musi się wydarzyć, jest to, że elektroniczny nos musi zostać przeszkolony przy użyciu kwalifikujących się próbek. Następnie instrument będzie w stanie zidentyfikować świeże próbki, porównując odcisk palca lotnego komponentu z tymi, które są już przechowywane w jego bazie danych. W rezultacie są w stanie przeprowadzić analizę jakościową lub ilościową. Może to jednak również stanowić trudność, ponieważ wiele zapachów składa się z wielu odrębnych cząsteczek. Ponieważ urządzenie zarejestruje te różne cząsteczki jako oddzielne związki, może błędnie interpretować zapachy, prowadząc do błędnych lub niedokładnych wyników w zależności od głównego przeznaczenia nosa. Analiza sygnałów e-nos, szczególnie tych odnoszących się do badań nad jakością mięsa, może skorzystać z wykorzystania tego zestawu danych jako punktu odniesienia. Kategoryzacja wołowiny na wiele klas i przewidywanie populacji drobnoustrojów za pomocą regresji to dwa główne cele tego zestawu danych.

Oto niektóre z wielu zastosowań, do których elektroniczne instrumenty nosowe są wykorzystywane w laboratoriach badawczo-rozwojowych, laboratoriach kontroli jakości oraz działach procesów i produkcji:

Zgodność produktów na wszystkich etapach produkcji, od surowców po wyroby gotowe

Spójność z jednej partii do drugiej

Identyfikacja zafałszowań, zanieczyszczeń i pogorszenia jakości

Pochodzenie, czyli wybór sprzedawcy

Kontrola i obserwacja warunków przechowywania

Monitorowanie jakości mięsa

Zarządzanie zmiennością surowców

W porównaniu z produktem standardowym lub referencyjnym

Ocena i analiza sposobów, w jakie proces produkcji wpływa na towary końcowe

Skuteczność procedury monitorowania i czyszczenia na miejscu

Monitorowanie skalowania w górę

Utrzymanie czystego środowiska podczas obserwacji.

porównanie wielu różnych preparatów lub receptur wraz z analizą sensoryczną

Analiza porównawcza pozycji z innych rynków

Analiza wpływu modyfikacji procedury lub składników na właściwości sensoryczne.

Identyfikacja potencjalnie niebezpiecznych i toksycznych bakterii, takich jak oprogramowanie, które zostało zaprojektowane specjalnie do identyfikacji zapachu MRSA (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus). Oprócz rozpoznawania wielu innych związków, jest również w stanie zidentyfikować wrażliwe na metycylinę S. aureus (MSSA). Postawiono hipotezę, że gdyby został strategicznie zainstalowany w systemach wentylacyjnych szpitali, byłby w stanie zidentyfikować, a w rezultacie uniknąć skażenia innych pacjentów lub sprzętu przez szeroką gamę niezwykle zakaźnych infekcji.

Rozpoznanie raka płuc lub innych chorób medycznych można postawić poprzez analizę poziomów lotnych związków organicznych (LZO), które są wskaźnikami obecności stanu chorobowego.

Identyfikacja zakażeń bakteryjnych i wirusowych u pacjentów z POChP, u których występuje zaostrzenie.

Kontrola jakości produktów spożywczych, ponieważ można ją łatwo umieścić w opakowaniach żywności, aby było to oczywiste, gdy żywność zaczęła się rozkładać lub była używana w terenie w celu identyfikacji skażenia bakteryjnego lub owadami. Oba te zastosowania są niezbędne do skutecznej kontroli jakości.

Osoby cierpiące na anosmię lub z osłabionym węchem mogą skorzystać z implantów nosowych, które mogą wykryć obecność gazu ziemnego.

Elektroniczny nos został wykorzystany przez Brain Mapping Foundation do zlokalizowania komórek nowotworowych w mózgu.

Zdolność elektronicznego nosa do wykrywania bezwonnych zapachów sprawia, że idealnie nadaje się do użytku w policji. Na przykład elektroniczny nos jest w stanie wykryć zapachy bomby pomimo innych zapachów unoszących się w powietrzu, które mogą dezorientować psy policyjne. Ta umiejętność sprawia, że elektroniczny nos jest idealny do użytku w policji.

Ponadto może służyć jako narzędzie identyfikacji nielegalnych narkotyków na lotniskach. Możliwe jest triangulowanie lokalizacji narkotyków w odległości kilku metrów od ich rzeczywistej lokalizacji w mniej niż kilka sekund, ostrożnie umieszczając kilka lub więcej nosów elektronicznych i używając skutecznych systemów komputerowych.

Istnieją systemy demonstracyjne, które mogą identyfikować opary uwalniane przez materiały wybuchowe; Ale nie są jeszcze na równi z psem tropiącym, który przeszedł odpowiednie szkolenie.

w celu identyfikacji próbek...