Elektroniskais deguns

Elektroniskais deguns ir elektroniska sensora ierīce, kas paredzēta smaržu vai aromātu noteikšanai. Izteiciens "elektroniskā sensorošana" attiecas uz spēju atdarināt cilvēka maņas, izmantojot sensoru masīvus un modeļu atpazīšanas sistēmas.

Kopš 1982. gada tiek veikti pētījumi, lai izstrādātu tehnoloģijas, ko parasti dēvē par elektroniskajiem deguniem, kas varētu noteikt un atpazīt smakas un aromātus. Atpazīšanas procesa posmi ir līdzīgi cilvēka olaksijai, un tos veic identifikācijai, salīdzināšanai, kvantitatīvai noteikšanai un citiem lietojumiem, tostarp datu uzglabāšanai un atgūšanai. Dažas šādas ierīces tiek izmantotas rūpnieciskiem mērķiem.

Citas metodes smaržu analīzei

Visās rūpniecības nozarēs smaržu novērtēšanu parasti veic ar cilvēka sensorās analīzes, ķīmisko sensoru vai gāzu hromatogrāfijas palīdzību. Pēdējā minētā metode sniedz informāciju par gaistošajiem organiskajiem savienojumiem, bet korelācija starp analīžu rezultātiem un vidējo smaržas uztveri nav tieša, jo pastāv iespējama vairāku smaržvielu mijiedarbība.

Osu bara smaku detektorā mehāniskais elements ir videokamera, bet bioloģiskais elements ir piecas parazītiskas lapsenes, kuras ir kondicionētas tā, lai tās, reaģējot uz konkrētas ķīmiskas vielas klātbūtni, veidotu rojus.

Vēsture

Zinātnieks Aleksandrs Greiems Bells popularizēja uzskatu, ka ir grūti izmērīt smaržu, un 1914. gadā teica:

Vai jūs kādreiz esat mērījis smaržu? Vai jūs varat noteikt, vai viena smarža ir divreiz spēcīgāka par citu? Vai jūs varat izmērīt atšķirību starp divu veidu smaržu un citu smaržu? Ir pilnīgi skaidrs, ka mums ir ļoti daudz dažādu smaržu, sākot no vijolīšu un rožu smaržas līdz pat asafetidai. Bet, kamēr jūs nevarat izmērīt to līdzību un atšķirības, jūs nevarat iegūt zinātni par smaržām. Ja vēlaties atrast jaunu zinātni, izmēriet smaržu.

- Aleksandrs Greiems Bells, 1914. gads
Desmitgadēs, kopš Bells izdarīja šo novērojumu, šāda zinātne par smaržām netika īstenota, un tikai 20. gadsimta 50. gados un vēlāk tika panākts reāls progress. Kopējā problēma smaržu noteikšanā ir tā, ka tā nav saistīta ar enerģijas, bet gan ar fizikālo daļiņu mērīšanu. A common problem for odor-detecting is that it does not involve measuring energy, but physical particles.

Darba princips

Elektroniskais deguns tika izstrādāts, lai atdarinātu cilvēka olaksiju, kas darbojas kā neselektīvs mehānisms, t. i., smarža/garša tiek uztverta kā globāls pirkstu nospiedums. Būtībā instruments sastāv no galvas telpas paraugu ņemšanas, ķīmisko sensoru masīva un modeļu atpazīšanas moduļiem, lai ģenerētu signālu modeļus, ko izmanto smaržu raksturošanai.

Elektroniskajās degunās ir trīs galvenās daļas: parauga piegādes sistēma, noteikšanas sistēma un skaitļošanas sistēma.

Parauga piegādes sistēma nodrošina parauga galvas telpas (gaistošo savienojumu) veidošanu, kas ir analizējamā frakcija. Pēc tam šī sistēma ievadīs šo miglotās telpas daļu elektroniskā deguna detektēšanas sistēmā. Parauga piegādes sistēma ir būtiska, lai garantētu nemainīgus darba apstākļus.

Detektēšanas sistēma, kas sastāv no sensoru komplekta, ir instrumenta "reaktīvā" daļa. Saskaroties ar gaistošiem savienojumiem, sensori reaģē, kas nozīmē, ka tiem mainās elektriskās īpašības.

Lielākajā daļā elektronisko degunu katrs sensors ir jutīgs pret visām gaistošajām molekulām, bet katrs no tiem ir jutīgs savā īpašā veidā. Tomēr bioelektroniskajos degunos tiek izmantoti receptoru proteīni, kas reaģē uz specifiskām smaržu molekulām. Lielākajā daļā elektronisko degunu tiek izmantoti ķīmisko sensoru bloki, kas saskarē reaģē uz gaistošiem savienojumiem: gaistošo savienojumu adsorbcija uz sensora virsmas izraisa sensora fizikālas izmaiņas. Elektroniskais interfeiss reģistrē specifisko reakciju, pārveidojot signālu par digitālu vērtību. Pēc tam reģistrētos datus aprēķina, pamatojoties uz statistikas modeļiem.

Bioelektroniskajās degunās tiek izmantoti ožas receptori - olfaktori, kas ir no bioloģiskiem organismiem, piemēram, cilvēka, klonēti proteīni, kuri saistās ar specifiskām smaržu molekulām. Viena grupa ir izstrādājusi bioelektronisku degunu, kas imitē cilvēka deguna signalizācijas sistēmas, lai uztvertu smaržas ar ļoti augstu jutību: femtomolārās koncentrācijās.

Visbiežāk elektroniskajos degunos tiek izmantoti šādi sensori

 metālu oksīdu pusvadītāju (MOSFET) ierīces - tranzistori, ko izmanto elektronisko signālu pastiprināšanai vai pārslēgšanai. Tas darbojas pēc principa, ka molekulas, kas iekļūst sensora zonā, būs pozitīvi vai negatīvi uzlādētas, kam vajadzētu tieši ietekmēt elektrisko lauku MOSFET iekšienē. Tādējādi katras papildu uzlādētas daļiņas ievadīšana tieši un unikāli ietekmēs tranzistoru, radot izmaiņas MOSFET signālā, ko pēc tam var interpretēt modeļu atpazīšanas datorsistēmas. Tātad būtībā katrai nosakāmajai molekulai būs savs unikāls signāls, ko datorsistēma varēs interpretēt.
 vadošie polimēri - organiskie polimēri, kas vada elektrību.
 polimēru kompozīti - līdzīgi kā vadošie polimēri, bet veidoti no elektrību nevadošiem polimēriem, pievienojot vadošu materiālu, piemēram, sodrējus.
 kvarca kristāla mikrobalanss (QCM) - veids, kā izmērīt masu uz platības vienību, mērot kvarca kristāla rezonatora frekvences izmaiņas. To var saglabāt datu bāzē un izmantot turpmākai atsaucei.
 virsmas akustiskie viļņi (SAW) - mikroelektromehānisko sistēmu (MEMS) klase, kas izmanto virsmas akustisko viļņu modulāciju, lai uztvertu kādu fizikālu parādību.
 masas spektrometrus var miniaturizēt, lai izveidotu vispārējas nozīmes gāzes analīzes ierīci.
Dažās ierīcēs vienā ierīcē apvienoti vairāki sensoru veidi, piemēram, ar polimēriem pārklāti QCM. Neatkarīga informācija ļauj iegūt daudz jutīgākas un efektīvākas ierīces. Pētījumi par gaisa plūsmu ap suņu deguniem un testi ar dzīviem modeļiem liecina, ka cikliska "šņaušana", kas līdzinās reāla suņa "šņaušanai", ir izdevīga, jo uzlabo darbības diapazonu un reakcijas ātrumu.

Pēdējos gados ir izstrādāti arī citi elektronisko degunu veidi, kuros kā noteikšanas sistēma tiek izmantota masspektrometrija vai īpaši ātra gāzu hromatogrāfija.

Aprēķinu sistēma darbojas, lai apvienotu visu sensoru atbildes, kas ir ievaddati datu apstrādei. Šī instrumenta daļa veic globālo pirkstu nospiedumu analīzi un nodrošina rezultātus un attēlojumu, ko var viegli interpretēt. Turklāt elektroniskā deguna rezultātus var sasaistīt ar rezultātiem, kas iegūti ar citām metodēm (sensoru panelis, GC, GC/MS). Rezultātu analīzei tiek izmantotas daudzas datu interpretācijas sistēmas. Šīs sistēmas ietver mākslīgo neironu tīklu (ANN), izplūdušo loģiku, modeļu atpazīšanas moduļus utt. Mākslīgais intelekts, tostarp mākslīgais neironu tīkls (ANN), ir galvenais paņēmiens vides smaku pārvaldībā.

Analīzes veikšana

Vispirms elektroniskais deguns ir jāapmāca ar kvalificētiem paraugiem, lai izveidotu atsauces datu bāzi. Pēc tam instruments var atpazīt jaunus paraugus, salīdzinot gaistošā savienojuma pirkstu nospiedumu ar datubāzē esošajiem paraugiem. Tādējādi tie var veikt kvalitatīvu vai kvantitatīvu analīzi. Tomēr tas var radīt arī problēmu, jo daudzas smakas sastāv no vairākām dažādām molekulām, kuras ierīce var nepareizi interpretēt, jo tā tās reģistrēs kā dažādus savienojumus, kā rezultātā atkarībā no deguna primārās funkcijas tiks iegūti nepareizi vai neprecīzi rezultāti. Ir pieejams arī e-nosa datu kopas piemērs. Šo datu kopu var izmantot kā etalonu e-nosa signālu apstrādei, jo īpaši gaļas kvalitātes pētījumos. Divi galvenie šīs datu kopas mērķi ir liellopu gaļas klasifikācija vairākās klasēs un mikrobu populācijas prognozēšana, izmantojot regresiju.

Pielietojums

Elektroniskos deguna instrumentus dažādiem mērķiem izmanto pētniecības un izstrādes laboratorijās, kvalitātes kontroles laboratorijās, kā arī procesu un ražošanas nodaļās:

Kvalitātes kontroles laboratorijās
 Izejvielu, starpproduktu un galaproduktu atbilstība
 Starppartiju atbilstība
 piesārņojuma, bojāšanās, viltojumu noteikšana
 Izcelsmes vai piegādātāja izvēle
 Uzglabāšanas apstākļu uzraudzība
 Gaļas kvalitātes uzraudzība.

Procesa un ražošanas nodaļās
 Izejvielu mainīguma pārvaldība
 Salīdzināšana ar standarta produktu
 Ražošanas procesa ietekmes uz produktiem mērīšana un salīdzināšana
 Uz vietas veiktas tīrīšanas procesa efektivitātes uzraudzība
 Paplašināšanas uzraudzība
 tīrīšanas uz vietas uzraudzība.

Izstrādājuma izstrādes posmos 
 Dažādu formulu vai recepšu sensorā profilēšana un salīdzināšana.
 Konkurējošo produktu salīdzinošā novērtēšana
 Procesa vai sastāvdaļas izmaiņu ietekmes uz sensorajām īpašībām novērtēšana.
Iespējamie un turpmākie lietojumi veselības un drošības jomā
 Bīstamu un kaitīgu baktēriju noteikšana, piemēram, programmatūra, kas ir īpaši izstrādāta, lai atpazītu MRSA (pret meticilīnu rezistenta Staphylococcus aureus) smaržu. Tā spēj atpazīt arī pret meticilīnu jutīgu S. aureus (MSSA), kā arī daudzas citas vielas. Ir izteikta teorija, ka, rūpīgi ievietojot to slimnīcu ventilācijas sistēmās, tas varētu atklāt un tādējādi novērst citu pacientu vai iekārtu inficēšanos ar daudziem ļoti lipīgiem patogēniem.
 Plaušu vēža vai citu medicīnisku saslimšanu noteikšana, konstatējot GOS (gaistošos organiskos savienojumus), kas norāda uz medicīnisko stāvokli.
 vīrusu un baktēriju infekciju noteikšana HOPS saasinājumu gadījumā.
 Pārtikas produktu kvalitātes kontrolei, jo to var ērti ievietot pārtikas produktu iepakojumos, lai skaidri norādītu, kad pārtika ir sākusi pūt, vai izmantot uz lauka, lai noteiktu baktēriju vai kukaiņu piesārņojumu.
 deguna implanti varētu brīdināt par dabasgāzes klātbūtni tiem, kam ir anosmija vai vāja oža.
 Smadzeņu kartēšanas fonds izmantoja elektronisko degunu, lai noteiktu smadzeņu vēža šūnas.

Iespējamie un nākotnes lietojumi noziedzības novēršanas un drošības jomā

Elektroniskā deguna spēja noteikt smakas bez smaržas padara to ideāli piemērotu izmantošanai policijā, piemēram, lai noteiktu sprāgstvielu smakas, neraugoties uz citām gaisā izplatītām smakām, kas var sajaukt policijas suņus. Tomēr tuvākajā laikā tas ir maz ticams, jo elektroniskā deguna izmaksas ir diezgan augstas.
To var izmantot arī kā narkotiku atklāšanas metodi lidostās. Rūpīgi izvietojot vairākus vai vairākus elektroniskos degunus un izmantojot efektīvas datorsistēmas, narkotiku atrašanās vietu varētu noteikt triangulācijas ceļā dažu metru attālumā mazāk nekā dažu sekunžu laikā.
Pastāv demonstrācijas sistēmas, kas nosaka sprāgstvielu izdalītos tvaikus, bet pašlaik tās ir nedaudz atpalikušas no labi apmācīta suņa.

Vides monitoringā

gaistošu organisko savienojumu identificēšanai gaisa, ūdens un augsnes paraugos.
Vides aizsardzībai.
Dažādās lietojuma piezīmēs aprakstīta analīze tādās jomās kā garšas un smaržas, pārtikas un dzērienu, iepakojuma, farmācijas, kosmētikas un parfimērijas, kā arī ķīmijas uzņēmumi. Pēdējā laikā ar tiem var risināt arī sabiedrības problēmas saistībā ar olfaktīvo traucējumu monitoringu, izmantojot uz vietas uzstādītu ierīču tīklus. Tā kā emisijas līmenis uz vietas dažiem avotiem var būt ļoti mainīgs, elektroniskais deguns var nodrošināt instrumentu, ar kura palīdzību var izsekot svārstībām un tendencēm un novērtēt situāciju reālajā laikā. Tas uzlabo izpratni par kritiskiem avotiem, kas ļauj aktīvi pārvaldīt smaku. Reālā laika modelēšana parādīs pašreizējo situāciju, ļaujot operatoram saprast, kuri periodi un apstākļi apdraud objektu. Turklāt esošās komerciālās sistēmas var ieprogrammēt aktīviem brīdinājumiem, pamatojoties uz iestatītajiem punktiem (smakas koncentrācija, kas modelēta pie receptoriem/uzbrīdinājuma punktiem, vai smakas koncentrācija pie deguna/avota), lai uzsāktu atbilstošas darbības.

Skatīt arī 
 Aromaterapija
 Feromons
 Mākslīgais deguns

Atsauces 

Maņas