אף מלאכותי

אף מלאכותי או אף אלקטרוני הוא התקן המזהה חומרים כימיים נדיפים באמצעות מערך חיישנים אלקטרוניים. האף האלקטרוני משמש כגלאי במגוון תחומים: בתחום המזון המשקאות והקוסמטיקה משמש כבקר איכות, בתחום הרפואי משמש כגלאי למחלות באמצעות חומרים הנפלטים בתהליך הנשיפה, בתחום איכות הסביבה משמש כבקר לדליפות גז או זיהום אוויר, בתחום הביטחוני והמשטרתי משמש כגלאי לאלכוהול, סמים וחומרי נפץ. המנגנון עליו מבוסס האף האלקטרוני מחקה את מערכת ההרחה שקיימת ביצורים חיים (ביו-מימיקה). המטרה בפיתוח אף אלקטרוני היא לספק התקן נייד בעל חישה כמותית, ספציפית וסלקטיבית ברגישות גבוהה באופן מהיר, פשוט וזול. פיתוח האף האלקטרוני חובק בחובו מגוון רחב של תחומי דעת: ביולוגיה, כימיה, אלקטרוניקה והנדסה. במהלך שנות ה-60 של המאה ה-20 פותחו מספר מכשירים שמטרתם הייתה לזהות ריחות, אולם רק בשנת 1982 בעקבות פיתוח האף האלקטרוני של פרסווד ודאוד המכשיר החל לשמש כחיישן כימי של ריחות באמצעות מערך חיישנים כפי שאנו מכירים אותו כיום. בשנת 1987 נטבע המונח "אף אלקטרוני" לראשונה על ידי ג'וליאן גארדנר. בשנת 1989 נושא האף האלקטרוני החל לצבור תאוצה בעקבות ציונו על ידי ועידת נאט"ו, ובשנת 1990 הוקמה הוועידה הראשונה שדנה בנושא אף אלקטרוני. בישראל הנושא מפותח על ידי חוסאם חאיק. אף אלקטרוני הוא פיתוח המחקה מערכות ביולוגיות, פיתוח המבוסס על ביומימיקה. הוא פועל במנגנון דומה למערכת הריח בבעלי חיים. ריח מורכב מאוסף של מולקולות, שלכל אחת מהן ריכוז, גודל וצורה ספציפיים. למולקולות הללו קיימים קולטנים באף האנושי, המשמש כאיבר חישת הריח ביונקים. כאשר מולקולה נקשרת לקולטן היא שולחת אות עצבי למוח. במוח מתבצע תהליך עיבוד אותות, וכך אנו מקבלים את תודעת הריח. האף האלקטרוני פועל באופן דומה - המכשיר מורכב ממערך של חיישנים, אשר בהם נמצאים קולטנים, ומתוכנת עיבוד נתונים המשמשת כמוח של ההתקן. מולקולות הריח נקשרות לחיישנים, הקישור "מתורגם" לאותות חשמליים המועברים למערכת ממוחשבת המעבדת את נתוני האותות. תוכנת עיבוד הנתונים מוציאה פלט כמותי או איכותי המזהה את החומר הנדיף אף אלקטרוני מורכב ממערך חיישנים אשר ממירים שינוי כימי או פיזיקלי לאות חשמלי, ומתוכנת עיבוד נתונים. האותות החשמליים מהחיישנים נשלחים באופן מאוחד לתכנת עיבוד נתונים, המכילה אלגוריתם לזיהוי תבניות חישה. ספריית תבניות משמשת כיחידת אחסון מידע, ותוכנת עיבוד הנתונים משווה בין התבניות הקיימות בספרייה לבין תבנית שנקלטה במערכת. כך ניתן לזהות את הריח ע"פ תצורתו הקיימת, ולא ע"פ הפרדת התרכובת למרכיביה. ישנם מספר סוגי מערכי חיישנים במערכת האף האלקטרוני הנבדלים במנגנונם. ישנם חיישנים המעבירים אות חשמלי בהתאם לשינוי במוליכות, חיישנים אופטיים וחיישנים המבוססים על טרנזיסטורי תוצא שדה (Field-effect) כגון טרנזיסטור MOSFET. טרנזיסטור MOSFET הוא התקן מוליך למחצה שמהווה מתג חשמלי זעיר. הטרנזיסטור בנוי מבסיס של חומר מוליך למחצה בעל אילוח מסוים - הנקרא מצע (Bulk). על המצע מושתלים שני אזורים של חומר מוליך למחצה בעל אילוח שונה - המקור (Source) והשפך (Drain). מעל ההתקן נמצא השער (Gate) - הדק מתכתי המבודד מהמוליך למחצה על ידי שכבה של חומר מבודד העשויה בדרך כלל מתחמוצת. הטרנזיסטורים שבמערך האף האלקטרוני הם ללא שער, ללא הדק השער וללא שכבת המתכת, אלא מצופים בתמיסה מוליכה, ופועלים במנגנון של טרנזיסטורי תוצא שדה הרגישים לשינוי במטען-ISFET) ion-sensitive field-effect transistor). חיישני ה-ISFET רגישים לשינוי המטען באזור התמיסה המוליכה. שינוי במטען גורם להגברה או להאטה של הזרם בתעלה בין המקור לשפך כתוצאה משינוי המתח שנוצר בתמיסה המוליכה. סיפוח ספציפי או חצי ספציפי של חומר שאותו הטרנזיסטור יחוש יוביל לשינוי במטען שעל החיישן אשר יגרום לשינוי ההולכה בתעלה בין המקור לשפך המהווה את אות החישה. המטרה במאמצי המחקר והפיתוח הוא ליישם מערך של אף אלקטרוני בו נמצאים אלפי טרנזיסטורים זעירים אשר כל אחד "מתמחה" בטווח מסוים של חומרים. כך מתקבל מערך שלם של טרנזיסטורים אשר יחד מסוגלים לזהות חומרי ריח רבים. לאחרונה פותחו במספר מרכזי מחקר, מערכים של טרנזיסטורי תוצא שדה זעירים העשויים מננו-תילי סיליקון. הננו-תילים הללו משמשים כחיישנים של מולקולות כימיות וביולוגיות וכך מסייעים בתחומי המדע והרפואה. שיטות נוספות המשמשות לזיהוי חומרים כימיים כגון באמצעות ספקטרוסקופיית מסה, כרומטוגרפיה גזית או כרומטוגרפיה גזית משולבת עם ספקטרוסקופיית מסה וספקטרוסקופיית היונים הנודדים. דא עקא, שיטות אלו מתאימות בעיקר לניסויים ולתנאי מעבדה. האף האלקטרוני לעומת זאת יכול לפעול גם בתנאי שטח. האף האלקטרוני שפותח בשנים האחרונות הוא בעל מערך חישה ננומטרי. בזכות גודלו הזעיר של מערך החישה ותכונותיו החשמליות, הפיזיקליות והכימיות המיוחדות, רגישותו גבוהה במיוחד. מערך זה מסוגל לחוש את השינויים בהרכב החומרים אשר בתערובות נדיפות בריכוזים שונים, ללא כל צורך בכיול מקדים של החומרים. אחד ממובילי הפיתוחים בתחום בעולם הוא פרופסור חוסאם חאיק מהטכניון. לאף אלקטרוני שימושים בתחומים שונים, ביניהם תחום החקלאות, ביו-רפואה, קוסמטיקה, תחבורה, איכות הסביבה, איכות מזון, צבא, תרופות, ותחומי מחקר מדעיים מגוונים. אף אלקטרוני יכול לשמש הן כמכשיר מדד כמותי והן כמכשיר מדד איכותי. יישומים כמותיים כוללים מדידת ריכוז טעמים במזון, מדידת ריכוז חומרי ריח במוצרי קוסמטיקה וכדומה. יישומים איכותיים כוללים בקרת איכות, התאמת מוצר, זיהוי תקלות, בדיקת טריות וזיהוי חומרי גלם . תעשיית המזון: בקרת איכות מזון, הערכת חיי מדף, בדיקת חומרי גלם, בדיקת טריות, ניטור אחר זיהום, ניטור תהליכי תסיסה, יצירת אחידות מוצר, בדיקת אריזת המוצר ועוד. בטיחות וגיהות: זיהוי של דליפת גז, חומרי נפץ, חומרים דליקים וכו'. משטרה וביטחון: נעשה מאמץ ניכר לפיתוח התקן שיחליף את השימוש בכלבים לצורך זיהוי וגילוי סמים וחומרי נפץ. איכות הסביבה: זיהוי של זיהום אוויר, רעלים, גזים מסוכנים וכו'. חקלאות: הערכת בשלות של פירות וירקות והערכת חיי המדף שלהם. קוסמטיקה: פיתוח בשמים ובדיקת חומרי גלם. ביוכימיה: בדיקה על שמירת תנאי מעבדה. רפואה: בדיקות נשימה, זיעה, שתן וצואה וכתוצאה מכך אבחון מחלות. הריחות הנפלטים בתהליך הנשימה יכולים להצביע על מחלות במערכת העיכול והריאות, בסינוסים, דלקות, סוכרת ובעיות בכליות ואף מחלות ממאירות. כמו כן פצעים ורקמות דלקתיות פולטים ריחות שגם כן יכולים להיות מזוהים על ידי האף האלקטרוני. תרופות: בדיקת איכות של תרופות. יתרונות השימוש באף מלאכותי על פני שימוש באף אנושי: השונות בין ההתקנים קטנה מהשונות בין בני האדם. שיפוט אובייקטיבי ולא השפעות סובייקטיביות. רגיש וללא הסתגלות לריחות המקהה את החושים. אינו מושפע מעייפות, מחלות ומצב נפשי. ניתן לחשוף אותו לחומרים מסוכנים. חסרונות: תגובה אטית. זמן חיים קצר יחסית משום שהחיישנים מתיישנים או מתקלקלים כתוצאה ממגע עם חומרים כימיים מסוימים. בנוסף, זמן חיי חומרי החיישנים נע בין מספר חודשים לשנתיים, תלוי בסביבתו. לדוגמה: לחות יכולה לפגוע בחיישנים, במיוחד בחיישנים המבוססים על פולימרים. כל אפליקציה של אף מלאכותי חייבת להיבדק. חוסר יכולת לכמת שוני בין ריחות. קושי בהבחנה כאשר ריחות רקע מתערבבים יחד עם הריח הנתון, או כאשר הריח מורכב ממולקולות רבות וחלקן בריכוז גבוה מהאחרות. ביוננוטכנולוגיה ננו-חיישן ביוסנסור מדיה וקבצים בנושא אף מלאכותי בוויקישיתוף techtarget.com/definition/electronic-nose-e-nose doc/20473653/Electronic-Nose Gardner, W. Julian (1994). A brief history of electronic noses. Sensors and Acruators B: Chemcial Korotcenkov, G. (2011). Chemical Sensors. Momentum Press. ISBN 978-1-60650-239-6 Arshak, K.; Moore, E.; Lyon, G. M.; Harris, J. and Clifford, S. (2004). A review of gas sensors employed in electronic nose applications. Emerald Group Publishing Limited. ISSN 0260-2288 Duroux P1, Emde C, Bauerfeind P, Francis C, Grisel A, Thybaud L, Arstrong D, Depeursinge C & Blum AL. (1999). The ion sensitive field effect transistor (ISFET) pH electrode: a new sensor for long term ambulatory pH monitoring. Gut Patolsky, F.; Timko, B. P.; Zheng, G. and Lieber, C. M. (2007). Nanowire-Based Nanoelectronic Devices in the Life Science. MRS BULLETIN Patolsky, F.; Zheng, G. and Lieber, C. M. (2006). Nanowire sensors for medicine and the life science. Future Medicine Ltd. ISSN 1743-5889 Ro¨ck, F.; Barsan, N. and Weimar U. (2008). Electronic Nose: Current Status and Future Trends. Chemical Reviews חאיק חוסאם. (2009). אף אלקטרוני לאבחון סרטן על ידי דגימות נשימה. על כימיה Wilson, A. D. & Baietto, M. (2011). Advances in Electronic-Nose Technologies Developed for Biomedical Applications. Sensors