Электронный нос - Electronic nose

Электронный нос был настроен на ось восприятия приятного запаха, т. Е. Ось от очень приятного (например, роза) до очень неприятного (например, скунс). Это позволило eNose почувствовать запах новых запахов, с которыми он никогда раньше не сталкивался, но все же генерировать оценки приятности запаха, хорошо согласующиеся с оценками человека, независимо от культурного фона субъекта. Это говорит о врожденном компоненте приятного запаха, который тесно связан с молекулярной структурой.

Электронный нос представляет собой электронное измерительное устройство предназначено для обнаружения запахов или вкусов . Выражение «электронное зондирование» относится к способности воспроизводить человеческие чувства с помощью массивов датчиков и систем распознавания образов .

С 1982 года проводятся исследования по разработке технологий, обычно называемых электронными носами, которые могут обнаруживать и распознавать запахи и вкусы. Этапы процесса распознавания аналогичны человеческому обонянию и выполняются для идентификации, сравнения, количественной оценки и других приложений, включая хранение и поиск данных. Некоторые такие устройства используются в промышленных целях.

Другие методы анализа запахов

Во всех отраслях промышленности оценка запаха обычно выполняется сенсорным анализом человека, хемосенсорами или газовой хроматографией . Последний метод дает информацию о летучих органических соединениях, но корреляция между аналитическими результатами и средним восприятием запаха не является прямой из-за возможных взаимодействий между несколькими пахучими компонентами.

В детекторе запаха Wasp Hound механическим элементом является видеокамера, а биологическим элементом - пять паразитических ос, которые были приучены к рою в ответ на присутствие определенного химического вещества.

История

Ученый Александр Грэм Белл популяризировал представление о том, что трудно измерить запах, и в 1914 году сказал следующее:

Вы когда-нибудь измеряли запах? Можете ли вы сказать, является ли один запах вдвое сильнее другого? Можете ли вы измерить разницу между двумя видами запаха и другим? Совершенно очевидно, что у нас очень много разных запахов, от запаха фиалки и розы до асафетиды. Но пока вы не сможете измерить их сходство и различия, у вас не будет науки об запахе. Если вы стремитесь открыть новую науку, измерьте запах.

-  Александр Грэм Белл, 1914 г.

За десятилетия, прошедшие с тех пор, как Белл сделал это наблюдение, такая наука об запахах не материализовалась, и только в 1950-х годах и позже не было достигнуто никакого реального прогресса. Распространенная проблема для обнаружения запаха заключается в том, что оно связано не с измерением энергии, а с измерением физических частиц.

Принцип работы

Электронный нос был разработан, чтобы имитировать человеческое обоняние, которое функционирует как неразрывный механизм: то есть запах / вкус воспринимается как глобальный отпечаток пальца. По сути, прибор состоит из пробоотборника в свободном пространстве, массива химических датчиков и модулей распознавания образов, которые генерируют образцы сигналов, которые используются для характеристики запахов.

Электронные носы состоят из трех основных частей: системы доставки образца, системы обнаружения и вычислительной системы.

Система доставки образца позволяет генерировать свободное пространство (летучие соединения) образца, которое является анализируемой фракцией. Затем система вводит это свободное пространство в систему обнаружения электронного носа. Система доставки образцов важна для обеспечения постоянных рабочих условий.

Система обнаружения, состоящая из набора датчиков, является «реактивной» частью прибора. При контакте с летучими соединениями датчики реагируют, что означает изменение электрических свойств.

В большинстве электронных носов каждый датчик чувствителен ко всем летучим молекулам, но каждая по-своему. Однако в биоэлектронных носах используются рецепторные белки, которые реагируют на специфические молекулы запаха. В большинстве электронных носов используются наборы химических датчиков, которые реагируют на летучие соединения при контакте: адсорбция летучих соединений на поверхности датчика вызывает физическое изменение датчика. Конкретный ответ регистрируется электронным интерфейсом, преобразующим сигнал в цифровое значение. Записанные данные затем вычисляются на основе статистических моделей.

Биоэлектронные носы используют обонятельные рецепторы - белки, клонированные из биологических организмов, например человека, которые связываются со специфическими молекулами запаха. Одна группа разработала биоэлектронный нос, который имитирует сигнальные системы, используемые человеческим носом для восприятия запахов с очень высокой чувствительностью: фемтомолярные концентрации.

Наиболее часто используемые датчики электронного носа включают:

  • устройства металл-оксид-полупроводник (MOSFET) - транзистор, используемый для усиления или переключения электронных сигналов. Это работает по тому принципу, что молекулы, попадающие в область датчика, будут заряжаться положительно или отрицательно, что должно иметь прямое влияние на электрическое поле внутри полевого МОП-транзистора. Таким образом, введение каждой дополнительной заряженной частицы будет непосредственно влиять на транзистор уникальным образом, вызывая изменение сигнала MOSFET, которое затем может быть интерпретировано компьютерными системами распознавания образов. Таким образом, по сути, каждая обнаруживаемая молекула будет иметь свой собственный уникальный сигнал, который компьютерная система может интерпретировать.
  • проводящие полимеры - органические полимеры, проводящие электричество.
  • полимерные композиты - аналогичные по использованию проводящим полимерам, но составленные из непроводящих полимеров с добавлением проводящего материала, такого как технический углерод.
  • кварцевые микровесы (QCM) - способ измерения массы на единицу площади путем измерения изменения частоты кварцевого резонатора. Его можно сохранить в базе данных и использовать для справок в будущем.
  • поверхностная акустическая волна (SAW) - класс микроэлектромеханических систем (MEMS), которые полагаются на модуляцию поверхностных акустических волн для определения физического явления.
  • Масс-спектрометры могут быть уменьшены в размерах, чтобы образовать прибор для анализа газов общего назначения.

Некоторые устройства объединяют в одном устройстве несколько типов датчиков, например ККМ с полимерным покрытием. Независимая информация приводит к гораздо более чувствительным и эффективным устройствам. Исследования воздушного потока вокруг собачьих носов и тесты на моделях в натуральную величину показали, что циклическое `` обнюхивание '', подобное действию настоящей собаки, полезно с точки зрения увеличения дальности и скорости реакции.

В последние годы были разработаны другие типы электронных носов, в которых в качестве системы обнаружения используется масс-спектрометрия или сверхбыстрая газовая хроматография.

Вычислительная система объединяет отклики всех датчиков, что представляет собой вход для обработки данных. Эта часть прибора выполняет глобальный анализ отпечатков пальцев и предоставляет результаты и представления, которые можно легко интерпретировать. Более того, результаты электронного носа можно сопоставить с результатами, полученными с помощью других методов (сенсорная панель, ГХ , ГХ / МС ). Многие системы интерпретации данных используются для анализа результатов. Эти системы включают в себя искусственную нейронную сеть (ИНС), нечеткую логику , модули распознавания образов и т. Д. Искусственный интеллект, в том числе искусственная нейронная сеть (ИНС), является ключевым методом управления запахами окружающей среды.

Проведение анализа

В качестве первого шага необходимо обучить электронный нос с помощью квалифицированных образцов, чтобы создать справочную базу данных. Затем прибор может распознавать новые образцы, сравнивая отпечаток летучего соединения с отпечатками, содержащимися в его базе данных. Таким образом, они могут выполнять качественный или количественный анализ. Однако это также может создать проблему, поскольку многие запахи состоят из нескольких различных молекул, которые могут быть ошибочно интерпретированы устройством, поскольку оно будет регистрировать их как разные соединения, что приведет к неправильным или неточным результатам в зависимости от основной функции носа. Также доступен пример набора данных e-носа. Этот набор данных можно использовать в качестве справочного материала для обработки сигналов электронного носа, особенно для исследований качества мяса. Две основные цели этого набора данных - многоклассовая классификация говядины и прогнозирование микробной популяции с помощью регрессии.

Приложения

Электронный нос, разработанный на кафедре аналитической химии (химический факультет Гданьского технологического университета ), позволяет быстро классифицировать образцы продуктов питания или окружающей среды.

Электронные носовые инструменты используются научно-исследовательскими лабораториями, лабораториями контроля качества и производственными и технологическими отделами для различных целей:

В лабораториях контроля качества

  • Соответствие сырья, промежуточных и конечных продуктов
  • Последовательность от партии к партии
  • Обнаружение загрязнения, порчи, фальсификации
  • Выбор происхождения или поставщика
  • Мониторинг условий хранения
  • Контроль качества мяса.

В производственных и производственных цехах

  • Управление изменчивостью сырья
  • Сравнение с эталонным продуктом
  • Измерение и сравнение влияния производственного процесса на продукцию
  • Последующая очистка на месте эффективность процесса
  • Мониторинг масштабирования
  • Мониторинг уборки на месте.

На этапах разработки продукта

  • Сенсорное профилирование и сравнение различных составов или рецептов
  • Бенчмаркинг конкурентоспособных продуктов
  • Оценка влияния изменения процесса или ингредиента на сенсорные функции.

Возможные и будущие применения в области здравоохранения и безопасности

  • Обнаружение опасных и вредных бактерий, например, программное обеспечение, специально разработанное для распознавания запаха MRSA ( устойчивый к метициллину золотистый стафилококк ). Он также способен распознавать чувствительный к метициллину S. aureus (MSSA) среди многих других веществ. Было высказано предположение, что при осторожном размещении в системах вентиляции больниц он может обнаруживать и, следовательно, предотвращать заражение других пациентов или оборудования многими высококонтагиозными патогенами.
  • Обнаружение рака легких или других заболеваний путем обнаружения ЛОС ( летучих органических соединений ), указывающих на заболевание.
  • Выявление вирусных и бактериальных инфекций при обострениях ХОБЛ .
  • Контроль качества пищевых продуктов, поскольку он может быть удобно помещен в упаковку для пищевых продуктов, чтобы четко указывать, когда пища начала гнить, или использоваться в полевых условиях для обнаружения заражения бактериями или насекомыми.
  • Носовые имплантаты могут предупреждать о наличии природного газа тем, у кого аносмия или слабое обоняние.
  • Фонд Brain Mapping Foundation использовал электронный нос для обнаружения раковых клеток мозга.

Возможные и будущие применения в области предупреждения преступности и безопасности

  • Способность электронного носа обнаруживать запахи без запаха делает его идеальным для использования в полиции, например, способность обнаруживать запахи бомбы, несмотря на другие запахи в воздухе, способные сбить с толку полицейских собак. Однако в ближайшей перспективе это маловероятно, поскольку стоимость электронного носа довольно высока.
  • Его также можно использовать в качестве метода обнаружения наркотиков в аэропортах. Путем тщательного размещения нескольких или более электронных носов и эффективных компьютерных систем можно было определить местонахождение наркотиков с точностью до нескольких метров менее чем за несколько секунд.
  • Существуют демонстрационные системы, которые обнаруживают пары, выделяемые взрывчаткой, но в настоящее время они несколько отстают от хорошо обученной собаки-ищейки.

В экологическом мониторинге

  • Для определения летучих органических соединений в пробах воздуха, воды и почвы.
  • Для защиты окружающей среды.

В различных примечаниях к применению описывается анализ в таких областях, как вкус и аромат, продукты питания и напитки, упаковка, фармацевтика, косметика и парфюмерия, а также химические компании. В последнее время они могут также решать общественные проблемы с точки зрения мониторинга неприятных запахов с помощью сетей полевых устройств. Поскольку уровни выбросов на объекте могут быть чрезвычайно разными для некоторых источников, электронный нос может служить инструментом для отслеживания колебаний и тенденций и оценки ситуации в режиме реального времени. Это улучшает понимание критических источников, что приводит к активному управлению запахом. Моделирование в реальном времени представит текущую ситуацию, позволяя оператору понять, какие периоды и условия подвергают объект риску. Кроме того, существующие коммерческие системы могут быть запрограммированы на получение активных предупреждений на основе заданных значений (концентрация запаха, смоделированная в рецепторах / точках оповещения или концентрация запаха в носу / источнике), чтобы инициировать соответствующие действия.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки