Uciążliwość zapachowa/Instrumentalne pomiary zapachu/Elektroniczny nos

Elektroniczny nos

„Elektroniczny nos” (e-nos) to analogia biologicznego zmysłu powonienia – zespół detektorów chemicznych reagujących na różne rodzaje cząstek zawartych w otoczeniu lub różne ich cechy (jak np. obecność specyficznych wiązań chemicznych, kwasowość, zasadowość, zdolność do stabilizacji sąsiednich dipoli itd). Fuzja informacji uzyskiwanych za pomocą takiego zespołu pozwala wnioskować nt. chemicznego składu otoczenia. E-nosy mogą być konstruowanie przy użyciu różnorakich detektorów w tym detektorów optoelektronicznych i akustoelektronicznych.

Zasada działania

Elektroniczny nos jest prymitywnym modelem biologicznego analizatora węchowego. Rolę nabłonka węchowego odgrywa „pole czujników” – płytka, na której umieszcza się kilka, kilkanaście lub kilkadziesiąt różnych czujników, reagujących mało selektywnie na obecność różnych związków lub grup związków chemicznych (model węchowej komórki receptorowej). Funkcje wyższych pięter analizatora biologicznego spełniają klasyczne programy, umożliwiające określanie stopnia podobieństwa reakcji „pola czujników” na działanie badanej próbki i wzorca (np. rodzaj perfum, gatunek sera, zapachowy ślad przestępcy itp.).

Czujniki elektronicznego nosa („receptory” i „nabłonek węchowy”)

Zjawisko piezoelektryczne

Pole czujników elektronicznego nosa (E-Nose Sensor Field) tworzy zwykle kilkanaście lub kilkadziesiąt różnych elementów. Są one – w urządzeniach komercyjnych – montowane w wymienialne moduły (przygotowane do stosowania w konkretnym celu). Elementami takiego „sztucznego nabłonka węchowego” są takie same czujniki, jakie są stosowane w klasycznych analizatorach składu gazów (np. detektory chromatografów gazowych, kieszonkowe detektory metanu i gazów toksycznych itp). Są to najczęściej czujniki konduktometryczne i piezoelektryczne. Istotą działania czujników konduktometrycznych są zmiany elektrycznego przewodnictwa materiału aktywnego, na przykład półprzewodzących tlenków metali (MOS, Metal Oxide Sensors) lub niektórych polimerów, zachodzące pod wpływem sorpcji określonych zanieczyszczeń powietrza. Zjawisko piezoelektryczne jest wykorzystywane w tzw. kwarcowych mikrowagach. W wyniku sorpcji zanieczyszczeń powietrza na powierzchni kryształu ulega zmianie jego masa i charakterystyczna częstość drgań.

Zmiany napięciowego sygnału czterech czujników e-nosa w czasie

Niezbędne zróżnicowanie wrażliwości poszczególnych czujników-”receptorów” na różne rodzaje związków chemicznych osiąga się przez wprowadzanie różnych domieszek do półprzewodzących tlenków metali lub pokrywanie kryształów piezoelektrycznego kwarcu filmem wysokowrzących cieczy (np. fazy stacjonarne dla GC). Pola sensorów mogą zawierać również inne rodzaje czujników, np. czujniki potencjometryczne, optoelektroniczne i akustoelektroniczne lub bioczujniki.

Analiza odebranych sygnałów („percepcja wrażenia węchowego”)

Podobieństwo dwóch rozkładów pobudzeń pola czujników określa się klasycznymi metodami analizy statystycznej. W najprostszych przypadkach mogą być wykorzystane proste – tabelaryczne lub graficzne – zestawienia odpowiedzi poszczególnych czujników. W przypadkach bardziej złożonych są stosowane takie metody, jak analiza głównych składowych (ang. Principal Component Analysis, PCA) lub sieci neuronowe. Zapach jest „rozpoznawany”, jeżeli zbiór sygnałów o rozkładzie aktywności zestawu zróżnicowanych czujników jest wystarczająco podobny do analogicznego zbioru odpowiadającego „wzorcowi”.

Wynik grupowania obiektów metodą PCA na przykładzie dot. haplotypów

Zastosowania

Nowoczesne elektroniczne nosy są coraz częściej wykorzystywane do badań jakości artykułów spożywczych, w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym lub badaniach kryminalistycznych i medycznych (np. diagnostyka chorób nowotworowych). Są użyteczne również podczas ciągłych pomiarów stopnia zanieczyszczenia próbek środowiskowych (woda, powietrze) oraz ocen skuteczności oczyszczania ścieków i gazów odlotowych. Bywają stosowane w odtwarzaczach zapachów.

Czy znasz odpowiedzi?

• Co w elektronicznych nosach zastępuje neurony I nabłonka węchowego?

Odpowiedź

Nabłonek węchowy zastępuje płytka z różnymi czujnikami (detektorami zanieczyszczeń powietrza) – tzw. pole sensorów. Elementami tego pola mogą być np. czujniki piezoelektryczne, konduktometryczne, czujniki APF lub bioczujniki. Zobacz: piezoelektryki, mikrowaga kwarcowa, wzór Sauerbreya , czujnik piezoelektryczny, czujnik z AFP (AFP akustyczna fala powierzchniowa ), półprzewodniki (MOS, Metal Oxide Sensors), przewodzące polimery, bioczujniki.

---

• Co w elektronicznych nosach pełni funkcję podobną do funkcji opuszki węchowej?

Odpowiedź

W opuszce węchowej zachodzi wstępna klasyfikacja odebranych bodźców chemicznych – impulsy odbierane przez neurony I z jednakowymi OR docierają aksonami do odpowiednich kłębuszków opuszki, tworząc tu „mapę pobudzeń” neuronów II. Podobny proces analizy sygnałów odbieranych przez różne czujniki pola sensorów e-nosa jest dokonywany zużyciem różnych programów do statystycznej analizy danych lub sztucznych sieci neuronowych (NN, ANN).

• Co w elektronicznych nosach może być namiastką części umysłu człowieka, odpowiedzialnej za emocje?

Odpowiedź

W programach e-nosa mogą być przechowywane dane, pozwalające przewidywać emocje, jakie wywołają w ludziach określone zbiory bodźców chemicznych. Możliwe jest np. wykonanie treningów sieci neuronowej z użyciem dużego zbioru wyników skalowania np. jakości hedonicznej (zob. rodzaje badań psychofizycznych). NN, wygenerowana z użyciem takiego zbioru treningowego, może poprawnie określać emocje ludzi ( np. przewidywać, czy danej "mapie pobudzeń" odpowiada wrażenie przyjemne, czy odrażające; wniosek dotyczy większości spośród uczestników testów psychofizycznych). Zobacz też: umysł w Wikibooks, umysł w Wikipedii, proces psychiczny, emocja.

Przypisy

Literatura dodatkowa

1. Joseph R. Stetter, William R. Penrose: The electrochemical nose (ang.). W: Electrochemistry Encyclopedia [on-line]. August, 2001. [dostęp 2011-05-12].
2. ETRI Journal 27 (5) Miniaturized Electronic Nose System
3. B.Wyszyński, P.Somboon, T. Nakamoto (Dept. of Phys. Electron., Tokyo Inst. of Technol., Tokyo): Chemisorbed PEGylated lipopolymers as sensing film supports for QCM odor sensors. Sensors and Actuators B: Chemical 130 (2), 857-863, 2008
4. B.Wyszyński, P.Somboon, T. Nakamoto (Dept. of Phys. Electron., Tokyo Inst. of Technol., Tokyo): Mixed self-assembled lipopolymers with spacer lipids enhancing sensitivity of lipid-derivative QCMs for odor sensors. Sensors and Actuators B: Chemical 134 (1) 72-78, 2008
5. B.Wyszyński, P.Somboon, T. Nakamoto (Dept. of Phys. Electron., Tokyo Inst. of Technol., Tokyo): Highly sensitive QCM odor-sensors functionalized with self-assembled lipid-derivatives and GC materials. 26-29 Oct. 2008 IEEE Conference Proceedings, Sensors, 1552-1555

Linki zewnętrzne

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie. E-Szkoła olfaktometrii - Wykład "System GC-NN"
• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie. E-Szkoła olfaktometrii - Wykład "Elektroniczny nos"
• Tufts University Medical School in Boston. Poglądowe video J.Kauer - Building an e-Nose

---

Powrót do spisu treści