Ηλεκτρονική μύτη

Η ηλεκτρονική μύτη είναι ηλεκτρονική συσκευή ανίχνευσης που προορίζεται για την ανίχνευση οσμών ή γεύσεων. Η έκφραση «ηλεκτρονική ανίχνευση» αναφέρεται στη δυνατότητα αναπαραγωγής των ανθρώπινων αισθήσεων με τη χρήση συστοιχιών αισθητήρων και συστημάτων αναγνώρισης προτύπων.

Από το 1982 διεξάγεται έρευνα για την ανάπτυξη τεχνολογιών, που συνήθως αναφέρονται ως ηλεκτρονικές μύτες, οι οποίες θα μπορούσαν να ανιχνεύουν και να αναγνωρίζουν οσμές και γεύσεις. Τα στάδια της διαδικασίας αναγνώρισης είναι παρόμοια με την ανθρώπινη όσφρηση και πραγματοποιούνται για την ταυτοποίηση, τη σύγκριση, την ποσοτικοποίηση και άλλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της αποθήκευσης και ανάκτησης δεδομένων. Ορισμένες τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται για βιομηχανικούς σκοπούς.

Άλλες τεχνικές ανάλυσης οσμών

Σε όλες τις βιομηχανίες, η αξιολόγηση των οσμών πραγματοποιείται συνήθως με ανθρώπινη αισθητηριακή ανάλυση, με χημειοαισθητήρες ή με αέρια χρωματογραφία. Η τελευταία τεχνική δίνει πληροφορίες για τις πτητικές οργανικές ενώσεις, αλλά η συσχέτιση μεταξύ των αναλυτικών αποτελεσμάτων και της μέσης αντίληψης της οσμής δεν είναι άμεση λόγω των πιθανών αλληλεπιδράσεων μεταξύ διαφόρων οσφρητικών συστατικών.

Στον ανιχνευτή οσμών Wasp Hound, το μηχανικό στοιχείο είναι μια βιντεοκάμερα και το βιολογικό στοιχείο είναι πέντε παρασιτικές σφήκες οι οποίες έχουν προετοιμαστεί να σμηνουργούν ως απόκριση στην παρουσία μιας συγκεκριμένης χημικής ουσίας.

Ιστορία

Ο επιστήμονας Αλεξάντερ Γκράχαμ Μπελ έκανε γνωστή την ιδέα ότι είναι δύσκολο να μετρηθεί μια οσμή και το 1914 είπε τα εξής:

Έχετε ποτέ μετρήσει μια μυρωδιά; Μπορείτε να πείτε αν μια μυρωδιά είναι ακριβώς δύο φορές πιο δυνατή από μια άλλη; Μπορείτε να μετρήσετε τη διαφορά μεταξύ δύο ειδών μυρωδιάς και μιας άλλης; Είναι πολύ προφανές ότι έχουμε πάρα πολλά διαφορετικά είδη οσμών, από την οσμή της βιολέτας και του τριαντάφυλλου μέχρι την ασαφετίδα. Αλλά μέχρι να μπορέσετε να μετρήσετε την ομοιότητα και τις διαφορές τους, δεν μπορείτε να έχετε επιστήμη της οσμής. Αν είστε φιλόδοξοι να βρείτε μια νέα επιστήμη, μετρήστε μια οσμή.

- Αλεξάντερ Γκράχαμ Μπελ, 1914
Στις δεκαετίες από τότε που ο Bell έκανε αυτή την παρατήρηση, καμία τέτοια επιστήμη της οσμής δεν υλοποιήθηκε, και μόνο από τη δεκαετία του 1950 και μετά σημειώθηκε πραγματική πρόοδος. Ένα κοινό πρόβλημα για την ανίχνευση οσμών είναι ότι δεν περιλαμβάνει τη μέτρηση ενέργειας, αλλά φυσικών σωματιδίων.

Αρχή λειτουργίας

Η ηλεκτρονική μύτη αναπτύχθηκε προκειμένου να μιμηθεί την ανθρώπινη όσφρηση που λειτουργεί ως μη διαχωριστικός μηχανισμός: δηλαδή μια οσμή/γεύση γίνεται αντιληπτή ως ένα συνολικό δακτυλικό αποτύπωμα. Ουσιαστικά το όργανο αποτελείται από δειγματοληψία στο χώρο της κεφαλής, μια συστοιχία χημικών αισθητήρων και μονάδες αναγνώρισης προτύπων, για τη δημιουργία προτύπων σήματος που χρησιμοποιούνται για τον χαρακτηρισμό των οσμών.

Οι ηλεκτρονικές μύτες περιλαμβάνουν τρία βασικά μέρη: ένα σύστημα παροχής δείγματος, ένα σύστημα ανίχνευσης, ένα υπολογιστικό σύστημα.

Το σύστημα παράδοσης δείγματος επιτρέπει τη δημιουργία του κεφαλοχώρου (πτητικές ενώσεις) ενός δείγματος, το οποίο είναι το κλάσμα που αναλύεται. Στη συνέχεια, το σύστημα εισάγει αυτό το headspace στο σύστημα ανίχνευσης της ηλεκτρονικής μύτης. Το σύστημα παροχής δείγματος είναι απαραίτητο για την εξασφάλιση σταθερών συνθηκών λειτουργίας.

Το σύστημα ανίχνευσης, το οποίο αποτελείται από ένα σύνολο αισθητήρων, είναι το "αντιδραστικό" μέρος του οργάνου. Όταν έρχονται σε επαφή με πτητικές ενώσεις, οι αισθητήρες αντιδρούν, πράγμα που σημαίνει ότι υφίστανται αλλαγή των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων.

Στις περισσότερες ηλεκτρονικές μύτες, κάθε αισθητήρας είναι ευαίσθητος σε όλα τα πτητικά μόρια, αλλά ο καθένας με τον δικό του συγκεκριμένο τρόπο. Ωστόσο, στις βιοηλεκτρονικές μύτες χρησιμοποιούνται πρωτεΐνες υποδοχείς που ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένα μόρια οσμών. Οι περισσότερες ηλεκτρονικές μύτες χρησιμοποιούν συστοιχίες χημικών αισθητήρων που αντιδρούν στις πτητικές ενώσεις κατά την επαφή: η προσρόφηση των πτητικών ενώσεων στην επιφάνεια του αισθητήρα προκαλεί μια φυσική αλλαγή του αισθητήρα. Μια συγκεκριμένη απόκριση καταγράφεται από την ηλεκτρονική διεπαφή που μετατρέπει το σήμα σε ψηφιακή τιμή. Τα καταγεγραμμένα δεδομένα στη συνέχεια υπολογίζονται με βάση στατιστικά μοντέλα.

Οι βιοηλεκτρονικές μύτες χρησιμοποιούν οσφρητικούς υποδοχείς - πρωτεΐνες κλωνοποιημένες από βιολογικούς οργανισμούς, π.χ. ανθρώπους, που δεσμεύονται σε συγκεκριμένα μόρια οσμών. Μια ομάδα έχει αναπτύξει μια βιοηλεκτρονική μύτη που μιμείται τα συστήματα σηματοδότησης που χρησιμοποιεί η ανθρώπινη μύτη για να αντιλαμβάνεται οσμές σε πολύ υψηλή ευαισθησία: femtomolar συγκεντρώσεις.

Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι αισθητήρες για ηλεκτρονικές μύτες περιλαμβάνουν

 διατάξεις μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγού (MOSFET) - ένα τρανζίστορ που χρησιμοποιείται για την ενίσχυση ή τη μεταγωγή ηλεκτρονικών σημάτων. Αυτό λειτουργεί με βάση την αρχή ότι τα μόρια που εισέρχονται στην περιοχή του αισθητήρα θα είναι φορτισμένα είτε θετικά είτε αρνητικά, τα οποία θα πρέπει να έχουν άμεση επίδραση στο ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό του MOSFET. Έτσι, η εισαγωγή κάθε πρόσθετου φορτισμένου μορίου θα επηρεάσει άμεσα το τρανζίστορ με μοναδικό τρόπο, παράγοντας μια αλλαγή στο σήμα του MOSFET που μπορεί στη συνέχεια να ερμηνευτεί από συστήματα υπολογιστών αναγνώρισης προτύπων. Έτσι, ουσιαστικά κάθε ανιχνεύσιμο μόριο θα έχει το δικό του μοναδικό σήμα για να το ερμηνεύσει ένα σύστημα υπολογιστή.
 αγώγιμα πολυμερή - οργανικά πολυμερή που αγωγιμοποιούν τον ηλεκτρισμό.
 σύνθετα πολυμερή - παρόμοια στη χρήση με τα αγώγιμα πολυμερή, αλλά διαμορφωμένα από μη αγώγιμα πολυμερή με την προσθήκη αγώγιμου υλικού, όπως η αιθάλη.

 Μικροβαρόμετρο κρυστάλλου χαλαζία (QCM) - ένας τρόπος μέτρησης της μάζας ανά μονάδα επιφάνειας με τη μέτρηση της μεταβολής της συχνότητας ενός αντηχείου κρυστάλλου χαλαζία. Αυτό μπορεί να αποθηκευτεί σε μια βάση δεδομένων και να χρησιμοποιηθεί για μελλοντική αναφορά.
 επιφανειακό ακουστικό κύμα (SAW) - μια κατηγορία μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων (MEMS) που βασίζονται στη διαμόρφωση των επιφανειακών ακουστικών κυμάτων για την ανίχνευση ενός φυσικού φαινομένου.
 Φασματόμετρα μάζας μπορούν να μικρογραφούν για να σχηματίσουν συσκευή ανάλυσης αερίων γενικού σκοπού.
Ορισμένες συσκευές συνδυάζουν πολλαπλούς τύπους αισθητήρων σε μία μόνο συσκευή, για παράδειγμα QCM με επικάλυψη πολυμερούς. Οι ανεξάρτητες πληροφορίες οδηγούν σε πολύ πιο ευαίσθητες και αποδοτικές συσκευές. Μελέτες της ροής του αέρα γύρω από τη μύτη του σκύλου και δοκιμές σε μοντέλα σε φυσικό μέγεθος έδειξαν ότι μια κυκλική δράση "μυρωδιάς" παρόμοια με αυτή ενός πραγματικού σκύλου είναι επωφελής όσον αφορά τη βελτίωση της εμβέλειας και της ταχύτητας απόκρισης.

Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί άλλοι τύποι ηλεκτρονικών μύτων που χρησιμοποιούν ως σύστημα ανίχνευσης τη φασματομετρία μάζας ή την υπερταχεία αέρια χρωματογραφία.

Το υπολογιστικό σύστημα εργάζεται για να συνδυάσει τις αποκρίσεις όλων των αισθητήρων, οι οποίες αποτελούν την είσοδο για την επεξεργασία δεδομένων. Αυτό το τμήμα του οργάνου εκτελεί σφαιρική ανάλυση δακτυλικών αποτυπωμάτων και παρέχει αποτελέσματα και αναπαραστάσεις που μπορούν να ερμηνευθούν εύκολα. Επιπλέον, τα αποτελέσματα της ηλεκτρονικής μύτης μπορούν να συσχετιστούν με εκείνα που λαμβάνονται από άλλες τεχνικές (αισθητηριακό πάνελ, GC, GC/MS). Πολλά από τα συστήματα ερμηνείας δεδομένων χρησιμοποιούνται για την ανάλυση των αποτελεσμάτων. Τα συστήματα αυτά περιλαμβάνουν τεχνητά νευρωνικά δίκτυα (ANN), ασαφή λογική, μονάδες αναγνώρισης προτύπων κ.λπ. Η τεχνητή νοημοσύνη, συμπεριλαμβανομένου του τεχνητού νευρωνικού δικτύου (ANN), αποτελεί βασική τεχνική για τη διαχείριση των περιβαλλοντικών οσμών.

Διεξαγωγή ανάλυσης

Ως πρώτο βήμα, μια ηλεκτρονική μύτη πρέπει να εκπαιδευτεί με κατάλληλα δείγματα ώστε να δημιουργηθεί μια βάση δεδομένων αναφοράς. Στη συνέχεια, το όργανο μπορεί να αναγνωρίσει νέα δείγματα συγκρίνοντας το αποτύπωμα μιας πτητικής ένωσης με εκείνα που περιέχονται στη βάση δεδομένων του. Έτσι μπορεί να εκτελέσει ποιοτική ή ποσοτική ανάλυση. Αυτό όμως μπορεί να δημιουργήσει και ένα πρόβλημα, καθώς πολλές οσμές αποτελούνται από πολλά διαφορετικά μόρια, τα οποία μπορεί να ερμηνευθούν λανθασμένα από τη συσκευή, καθώς θα τα καταγράψει ως διαφορετικές ενώσεις, με αποτέλεσμα λανθασμένα ή ανακριβή αποτελέσματα ανάλογα με την πρωταρχική λειτουργία μιας μύτης. Το παράδειγμα του συνόλου δεδομένων e-nose είναι επίσης διαθέσιμο. Αυτό το σύνολο δεδομένων μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αναφορά για την επεξεργασία σήματος e-nose, ιδίως για μελέτες ποιότητας κρέατος. Οι δύο κύριοι στόχοι αυτού του συνόλου δεδομένων είναι η ταξινόμηση πολλαπλών κατηγοριών βοείου κρέατος και η πρόβλεψη μικροβιακού πληθυσμού μέσω παλινδρόμησης.

Εφαρμογές

Τα όργανα ηλεκτρονικής μύτης χρησιμοποιούνται από εργαστήρια έρευνας και ανάπτυξης, εργαστήρια ποιοτικού ελέγχου και τμήματα διεργασιών και παραγωγής για διάφορους σκοπούς:

Στα εργαστήρια ποιοτικού ελέγχου
 Συμμόρφωση πρώτων υλών, ενδιάμεσων και τελικών προϊόντων
 Συνέπεια από παρτίδα σε παρτίδα
 Ανίχνευση μόλυνσης, αλλοίωσης, νοθείας
 Επιλογή προέλευσης ή προμηθευτή
 Παρακολούθηση των συνθηκών αποθήκευσης
 Παρακολούθηση της ποιότητας του κρέατος.

Στα τμήματα διεργασιών και παραγωγής
 Διαχείριση της μεταβλητότητας των πρώτων υλών
 Σύγκριση με προϊόν αναφοράς
 Μέτρηση και σύγκριση των επιπτώσεων της διαδικασίας παραγωγής στα προϊόντα
 Παρακολούθηση της αποτελεσματικότητας της διαδικασίας καθαρισμού
 Παρακολούθηση κλιμάκωσης
 Παρακολούθηση της διαδικασίας καθαρισμού επί τόπου.

Στα στάδια ανάπτυξης προϊόντων
 Αισθητηριακή σκιαγράφηση και σύγκριση διαφόρων σκευασμάτων ή συνταγών
 Συγκριτική αξιολόγηση ανταγωνιστικών προϊόντων
 Αξιολόγηση του αντίκτυπου μιας αλλαγής της διαδικασίας ή του συστατικού στα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά.
Πιθανές και μελλοντικές εφαρμογές στους τομείς της υγείας και της ασφάλειας
 Η ανίχνευση επικίνδυνων και επιβλαβών βακτηρίων, όπως το λογισμικό που έχει αναπτυχθεί ειδικά για την αναγνώριση της οσμής του MRSA (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus). Είναι επίσης σε θέση να αναγνωρίζει τον ευαίσθητο στη μεθικιλλίνη S. aureus (MSSA) μεταξύ πολλών άλλων ουσιών. Έχει διατυπωθεί η θεωρία ότι αν τοποθετηθεί προσεκτικά στα συστήματα εξαερισμού των νοσοκομείων, θα μπορούσε να ανιχνεύσει και επομένως να αποτρέψει τη μόλυνση άλλων ασθενών ή του εξοπλισμού από πολλούς εξαιρετικά μεταδοτικούς παθογόνους μικροοργανισμούς.
 Η ανίχνευση του καρκίνου του πνεύμονα ή άλλων ιατρικών καταστάσεων με την ανίχνευση των πτητικών οργανικών ενώσεων (VOC) που υποδηλώνουν την ιατρική κατάσταση.
 Η ανίχνευση ιογενών και βακτηριακών λοιμώξεων σε παροξύνσεις της ΧΑΠ.
 Ο ποιοτικός έλεγχος των τροφίμων, καθώς θα μπορούσε να τοποθετηθεί εύκολα στις συσκευασίες τροφίμων για να δείχνει σαφώς πότε τα τρόφιμα έχουν αρχίσει να σαπίζουν ή να χρησιμοποιηθεί στο πεδίο για την ανίχνευση βακτηριακής ή εντομολογικής μόλυνσης.
 Ρινικά εμφυτεύματα θα μπορούσαν να προειδοποιούν για την παρουσία φυσικού αερίου, για όσους είχαν ανοσμία ή αδύναμη αίσθηση της όσφρησης.
 Το Brain Mapping Foundation χρησιμοποίησε την ηλεκτρονική μύτη για την ανίχνευση καρκινικών κυττάρων του εγκεφάλου.

Πιθανές και μελλοντικές εφαρμογές στον τομέα της πρόληψης του εγκλήματος και της ασφάλειας

Η ικανότητα της ηλεκτρονικής μύτης να ανιχνεύει άοσμες οσμές την καθιστά ιδανική για χρήση στην αστυνομία, όπως η ικανότητα να ανιχνεύει οσμές βόμβας παρά άλλες αερομεταφερόμενες οσμές ικανές να μπερδέψουν τους αστυνομικούς σκύλους. Ωστόσο, αυτό είναι απίθανο στο εγγύς μέλλον, καθώς το κόστος της ηλεκτρονικής μύτης είναι αρκετά υψηλό.
Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως μέθοδος ανίχνευσης ναρκωτικών στα αεροδρόμια. Μέσω προσεκτικής τοποθέτησης πολλών ή περισσότερων ηλεκτρονικών μυτών και αποτελεσματικών υπολογιστικών συστημάτων, θα μπορούσε κανείς να τριγωνοποιήσει τη θέση των ναρκωτικών σε απόσταση λίγων μέτρων από τη θέση τους σε λιγότερο από μερικά δευτερόλεπτα.
Υπάρχουν συστήματα επίδειξης που ανιχνεύουν τους ατμούς που εκπέμπονται από εκρηκτικά, αλλά προς το παρόν βρίσκονται αρκετά πίσω από έναν καλά εκπαιδευμένο σκύλο ανιχνευτή.

Στην περιβαλλοντική παρακολούθηση

Για τον εντοπισμό πτητικών οργανικών ενώσεων σε δείγματα αέρα, νερού και εδάφους.
Για την προστασία του περιβάλλοντος.
Διάφορες σημειώσεις εφαρμογών περιγράφουν αναλύσεις σε τομείς όπως η γεύση και το άρωμα, τα τρόφιμα και τα ποτά, η συσκευασία, η φαρμακευτική, τα καλλυντικά και τα αρώματα και οι χημικές εταιρείες. Πιο πρόσφατα μπορούν επίσης να αντιμετωπίσουν δημόσιες ανησυχίες όσον αφορά την παρακολούθηση οσφρητικών οχλήσεων με δίκτυα συσκευών επί του πεδίου. Δεδομένου ότι τα ποσοστά εκπομπών σε μια τοποθεσία μπορεί να είναι εξαιρετικά μεταβλητά για ορισμένες πηγές, η ηλεκτρονική μύτη μπορεί να αποτελέσει εργαλείο για την παρακολούθηση των διακυμάνσεων και των τάσεων και την αξιολόγηση της κατάστασης σε πραγματικό χρόνο. Βελτιώνει την κατανόηση των κρίσιμων πηγών, οδηγώντας σε προληπτική διαχείριση των οσμών. Η μοντελοποίηση σε πραγματικό χρόνο θα παρουσιάσει την τρέχουσα κατάσταση, επιτρέποντας στον φορέα εκμετάλλευσης να κατανοήσει ποιες περίοδοι και συνθήκες θέτουν την εγκατάσταση σε κίνδυνο. Επίσης, τα υπάρχοντα εμπορικά συστήματα μπορούν να προγραμματιστούν ώστε να έχουν ενεργές ειδοποιήσεις βάσει καθορισμένων σημείων (συγκέντρωση οσμών που μοντελοποιούνται σε υποδοχείς/σημεία συναγερμού ή συγκέντρωση οσμών σε μύτη/πηγή) για την έναρξη κατάλληλων ενεργειών.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

 NASA researchers are developing an exquisitely sensitive artificial nose for space exploration
 BBC News on Electronic Nose based bacterial detection

Όσφρηση
Συσκευές εργαστηρίου
Αναδυόμενες τεχνολογίες
Μύτη