Elektronik burun - Electronic nose

Elektronik bir burun, koku verici hoşluğun algısal eksenine, yani çok hoştan (örneğin gül) çok hoş olmayana (örneğin kokarca) kadar değişen bir eksene ayarlandı. Bu, eNose'un daha önce hiç karşılaşmadığı yeni kokuları koklamasına izin verdi, ancak yine de deneğin kültürel geçmişine bakılmaksızın insan değerlendirmeleriyle yüksek oranda uyumlu koku hoşluğu tahminleri üretti. Bu, moleküler yapıya sıkı sıkıya bağlı olan, koku verici hoşluğun doğuştan gelen bir bileşenini düşündürür.

Bir elektronik burun tespit etmek için amaçlanan bir elektronik algılama cihazı kokuları ya da tatlar . "Elektronik algılama" ifadesi, sensör dizileri ve örüntü tanıma sistemleri kullanılarak insan duyularını yeniden üretme kabiliyetini ifade eder .

1982'den beri, kokuları ve tatları algılayabilen ve tanıyabilen, yaygın olarak elektronik burun olarak adlandırılan teknolojilerin geliştirilmesi için araştırmalar yürütülmektedir. Tanıma sürecinin aşamaları, insan koku alma duyusuna benzer ve tanımlama, karşılaştırma, niceleme ve veri depolama ve geri çağırma dahil olmak üzere diğer uygulamalar için gerçekleştirilir . Bu tür bazı cihazlar endüstriyel amaçlar için kullanılmaktadır.

Kokuları analiz etmek için diğer teknikler

Tüm endüstrilerde koku değerlendirmesi genellikle insan duyusal analizi, kemosensörler veya gaz kromatografisi ile yapılır . İkinci teknik, uçucu organik bileşikler hakkında bilgi verir, ancak analitik sonuçlar ve ortalama koku algısı arasındaki korelasyon, birkaç kokulu bileşen arasındaki potansiyel etkileşimler nedeniyle doğrudan değildir.

In Wasp Hound koku dedektörü, mekanik eleman, bir video kamera ve biyolojik eleman belirli bir kimyasal maddenin varlığı cevaben sürüsü şartına edilmiştir beş parazitik eşekarısı olduğunu.

Tarih

Bilim adamı Alexander Graham Bell , bir kokuyu ölçmenin zor olduğu fikrini popüler hale getirdi ve 1914'te şunları söyledi:

Hiç koku ölçümü yaptınız mı? Bir kokunun diğerinden iki kat daha güçlü olup olmadığını söyleyebilir misiniz? İki tür koku ile diğeri arasındaki farkı ölçebilir misiniz? Menekşe ve gül kokusundan asafetida'ya kadar çok farklı türde kokularımız olduğu çok açık. Ancak benzerliklerini ve farklılıklarını ölçene kadar koku bilimine sahip olamazsınız. Yeni bir bilim bulma konusunda hırslıysanız, bir kokuyu ölçün.

-  Alexander Graham Bell, 1914

Bell'in bu gözlemi yapmasından bu yana geçen on yıllarda, böyle bir koku bilimi gerçekleşmedi ve 1950'lere ve ötesine kadar gerçek bir ilerleme kaydedilmedi. Koku tespiti için yaygın bir sorun, enerjinin değil, fiziksel parçacıkların ölçülmesini içermesidir.

Çalışma prensibi

Elektronik burun, ayırıcı olmayan bir mekanizma olarak işlev gören insan koku duyusunu taklit etmek için geliştirildi: yani bir koku / tat, küresel bir parmak izi olarak algılanıyor. Temel olarak cihaz, kokuları karakterize etmek için kullanılan sinyal modellerini oluşturmak için kafa alanı örneklemesi, bir kimyasal sensör dizisi ve model tanıma modüllerinden oluşur.

Elektronik burunlar üç ana bölümden oluşur: bir numune dağıtım sistemi, bir algılama sistemi, bir bilgisayar sistemi.

Numune dağıtım sistemi, analiz edilen fraksiyon olan bir numunenin tepe boşluğunun (uçucu bileşikler) üretilmesini sağlar. Sistem daha sonra bu üst boşluğu elektronik burnun algılama sistemine enjekte eder. Numune dağıtım sistemi, sabit çalışma koşullarını garanti etmek için gereklidir.

Bir sensör setinden oluşan algılama sistemi, cihazın "reaktif" kısmıdır. Uçucu bileşiklerle temas halindeyken, sensörler tepki verir, bu da elektriksel özelliklerde bir değişiklik yaşadıkları anlamına gelir.

Çoğu elektronik burunda, her sensör tüm uçucu moleküllere duyarlıdır, ancak her biri kendine özgü bir şekildedir. Ancak biyo-elektronik burunlarda, belirli koku moleküllerine tepki veren reseptör proteinleri kullanılmaktadır. Çoğu elektronik burun , temas halinde uçucu bileşiklere tepki veren kimyasal sensör dizileri kullanır : uçucu bileşiklerin sensör yüzeyinde adsorpsiyonu , sensörün fiziksel olarak değişmesine neden olur. Sinyali dijital bir değere dönüştüren elektronik arayüz tarafından belirli bir yanıt kaydedilir. Kaydedilen veriler daha sonra istatistiksel modellere dayalı olarak hesaplanır.

Biyo-elektronik burunlar olfaktör reseptörleri kullanır - biyolojik organizmalardan klonlanmış proteinler, örneğin insanlar, spesifik koku moleküllerine bağlanır. Bir grup, insan burnu tarafından kokuları çok yüksek bir hassasiyette algılamak için kullanılan sinyal sistemlerini taklit eden biyo-elektronik bir burun geliştirdi: femtomolar konsantrasyonlar.

Elektronik burunlar için daha yaygın olarak kullanılan sensörler şunları içerir:

  • metal-oksit-yarı iletken (MOSFET) cihazlar - elektronik sinyalleri yükseltmek veya değiştirmek için kullanılan bir transistör. Bu, sensör alanına giren moleküllerin, MOSFET'in içindeki elektrik alanı üzerinde doğrudan bir etkiye sahip olması gereken pozitif veya negatif olarak yükleneceği ilkesiyle çalışır. Bu nedenle, her bir ek yüklü parçacığın dahil edilmesi, transistörü benzersiz bir şekilde doğrudan etkileyecek ve MOSFET sinyalinde daha sonra model tanıma bilgisayar sistemleri tarafından yorumlanabilecek bir değişiklik üretecektir. Bu nedenle, esasen algılanabilir her molekül, bir bilgisayar sisteminin yorumlaması için kendi benzersiz sinyaline sahip olacaktır.
  • iletken polimerler - elektriği ileten organik polimerler.
  • polimer kompozitler - kullanımda iletken polimerlere benzer, ancak karbon siyahı gibi iletken malzemelerin eklenmesiyle iletken olmayan polimerlerden formüle edilmiştir.
  • kuvars kristali mikro terazisi (QCM) - bir kuvars kristali rezonatörünün frekansındaki değişikliği ölçerek birim alan başına kütleyi ölçmenin bir yolu. Bu, bir veritabanında saklanabilir ve ileride başvurmak üzere kullanılabilir.
  • yüzey akustik dalgası (SAW) - fiziksel bir fenomeni algılamak için yüzey akustik dalgalarının modülasyonuna dayanan bir mikroelektromekanik sistem (MEMS) sınıfı.
  • Kütle spektrometreleri , genel amaçlı gaz analiz cihazı oluşturmak için minyatürleştirilebilir.

Bazı cihazlar, örneğin polimer kaplı QCM'ler gibi birden fazla sensör tipini tek bir cihazda birleştirir. Bağımsız bilgi, çok daha hassas ve verimli cihazlara yol açar. Köpeklerin burunları etrafındaki hava akımı çalışmaları ve gerçek boyuttaki modeller üzerinde yapılan testler, gerçek bir köpeğinkine benzer döngüsel bir "koklama eyleminin", gelişmiş yanıt aralığı ve hızı açısından faydalı olduğunu göstermiştir.

Son yıllarda, algılama sistemi olarak kütle spektrometrisi veya ultra hızlı gaz kromatografisi kullanan başka tipte elektronik burunlar geliştirilmiştir.

Bilgi işlem sistemi, veri işleme girdisini temsil eden tüm sensörlerin yanıtlarını birleştirmek için çalışır. Enstrümanın bu bölümü, global parmak izi analizini gerçekleştirir ve kolayca yorumlanabilen sonuçlar ve temsiller sağlar. Ayrıca, elektronik burun sonuçları diğer tekniklerden (duyusal panel, GC , GC/MS ) elde edilenlerle ilişkilendirilebilir . Veri yorumlama sistemlerinin çoğu, sonuçların analizi için kullanılır. Bu sistemler arasında yapay sinir ağı (YSA), bulanık mantık , örüntü tanıma modülleri vb. bulunur. Yapay sinir ağı (YSA) dahil olmak üzere yapay zeka, çevresel koku yönetimi için önemli bir tekniktir.

Analiz yapmak

İlk adım olarak, bir referans veri tabanı oluşturmak için elektronik bir burnun nitelikli örneklerle eğitilmesi gerekir. Ardından cihaz, uçucu bir bileşiğin parmak izini veri tabanında bulunanlarla karşılaştırarak yeni örnekleri tanıyabilir. Böylece kalitatif veya kantitatif analiz yapabilirler. Bununla birlikte, birçok koku birden fazla farklı molekülden oluştuğundan, cihaz tarafından yanlış yorumlanabilecek ve bunları farklı bileşikler olarak kaydedeceğinden, bir burnun birincil işlevine bağlı olarak yanlış veya yanlış sonuçlara yol açabileceği için bu da bir sorun oluşturabilir. E-burun veri seti örneği de mevcuttur. Bu veri seti, özellikle et kalitesi çalışmaları için, e-burun sinyal işleme için bir referans olarak kullanılabilir. Bu veri setinin iki ana amacı, çok sınıflı sığır eti sınıflandırması ve regresyon ile mikrobiyal popülasyon tahminidir.

Uygulamalar

Analitik Kimya Bölümü'nde ( Gdańsk Teknoloji Üniversitesi Kimya Fakültesi) geliştirilen elektronik burun , gıda veya çevresel numunelerin hızlı bir şekilde sınıflandırılmasını sağlar.

Elektronik burun aletleri araştırma ve geliştirme laboratuvarları, kalite kontrol laboratuvarları ve proses ve üretim departmanları tarafından çeşitli amaçlarla kullanılmaktadır:

Kalite kontrol laboratuvarlarında

  • Hammadde, ara ve nihai ürünlerin uygunluğu
  • Partiden partiye tutarlılık
  • Kirlenme, bozulma, tağşiş tespiti
  • Menşe veya satıcı seçimi
  • Depolama koşullarının izlenmesi
  • Et kalitesi izleme.

Proses ve üretim bölümlerinde

  • Hammadde değişkenliğini yönetme
  • Referans ürünle karşılaştırma
  • Üretim sürecinin ürünler üzerindeki etkilerinin ölçülmesi ve karşılaştırılması
  • Yerinde proses verimliliğinin takibi
  • Ölçek büyütme izleme
  • Temizlik yerinde izleme.

Ürün geliştirme aşamalarında

  • Duyusal profil oluşturma ve çeşitli formülasyonların veya tariflerin karşılaştırılması
  • Rakip ürünlerin kıyaslaması
  • Bir proses veya bileşen değişikliğinin duyusal özellikler üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi.

Sağlık ve güvenlik alanlarında olası ve gelecekteki uygulamalar

  • MRSA ( Metisiline dirençli Staphylococcus aureus ) kokusunu tanımak için özel olarak geliştirilmiş yazılım gibi tehlikeli ve zararlı bakterilerin tespiti . Ayrıca diğer birçok madde arasında metisiline duyarlı S. aureus'u (MSSA) tanıyabilir. Hastane havalandırma sistemlerine dikkatli bir şekilde yerleştirilirse, diğer hastaların veya ekipmanların yüksek derecede bulaşıcı birçok patojen tarafından kontaminasyonunu algılayabildiği ve bu nedenle önleyebileceği teorik olarak yapılmıştır.
  • Tıbbi durumu gösteren VOC'leri ( uçucu organik bileşikler ) tespit ederek akciğer kanseri veya diğer tıbbi durumların tespiti .
  • KOAH Alevlenmelerinde viral ve bakteriyel enfeksiyonların saptanması .
  • Gıda ürünlerinin ne zaman çürümeye başladığını veya bakteri veya böcek kontaminasyonunu tespit etmek için sahada kullanıldığını açıkça belirtmek için gıda ambalajlarına uygun bir şekilde yerleştirilebileceği için gıda ürünlerinin kalite kontrolü.
  • Nazal implantlar , anozmi veya zayıf koku alma duyusu olanlar için doğal gazın varlığı konusunda uyarabilir .
  • Beyin Haritalama Vakfı beyin kanseri hücrelerini tespit etmek için elektronik burun kullandı.

Suç önleme ve güvenlik alanında olası ve gelecekteki uygulamalar

  • Elektronik burnun kokusuz kokuları algılama yeteneği, polis köpeklerinin kafasını karıştırabilen diğer havadaki kokulara rağmen bomba kokularını algılama yeteneği gibi, onu polis teşkilatında kullanım için ideal kılar. Ancak bu, elektronik burnun maliyeti oldukça yüksek olduğu için yakın vadede olası değildir.
  • Havaalanlarında uyuşturucu tespit yöntemi olarak da kullanılabilir. Birkaç veya daha fazla elektronik burnun ve etkili bilgisayar sistemlerinin dikkatli bir şekilde yerleştirilmesiyle, ilaçların yeri birkaç saniyeden daha kısa bir sürede bulundukları yerden birkaç metre içinde üçgenlenebilir.
  • Patlayıcılar tarafından yayılan buharları tespit eden gösteri sistemleri mevcuttur, ancak şu anda iyi eğitimli bir koklayıcı köpeğin çok gerisindedir.

Çevresel izlemede

  • Hava, su ve toprak numunelerindeki uçucu organik bileşiklerin tanımlanması için.
  • Çevre koruma için.

Çeşitli uygulama notları, aroma ve koku, yiyecek ve içecek, ambalaj, ilaç, kozmetik ve parfüm ve kimya şirketleri gibi alanlardaki analizleri açıklar. Daha yakın zamanlarda, sahadaki cihazların ağları ile koku alma rahatsızlığı izleme açısından kamu endişelerini de ele alabilirler. Bir sahadaki emisyon oranları bazı kaynaklar için son derece değişken olabileceğinden, elektronik burun dalgalanmaları ve eğilimleri izlemek ve durumu gerçek zamanlı olarak değerlendirmek için bir araç sağlayabilir. Proaktif koku yönetimine yol açan kritik kaynakların anlaşılmasını geliştirir. Gerçek zamanlı modelleme, mevcut durumu sunarak operatörün tesisi hangi dönemlerin ve koşulların riske attığını anlamasına olanak tanır. Ayrıca, mevcut ticari sistemler, uygun eylemleri başlatmak için ayar noktalarına (reseptörler/uyarı noktalarında modellenen koku konsantrasyonu veya bir burun/kaynaktaki koku konsantrasyonu) dayalı aktif uyarılara sahip olacak şekilde programlanabilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar