Czujniki elektroniczne: czy potrafią wykrywać zapachy jak ludzki nos?
Czujniki elektroniczne przeznaczone do wykrywania zapachów, tak jak ludzki nos, mogą znaleźć wiele interesujących zastosowań w szeregu nowatorskich rozwiązań. Naukowcy wspierani częściowo ze środków unijnych projektów CARBO-IMmap i SMELLODI opracowali elektroniczne czujniki zapachu i opracowali metodę oceny ich wydajności węchowej w odniesieniu do lotnych związków organicznych (LZO). Ich badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Applied Physics Reviews”. LZO to substancje chemiczne wykorzystywane i wytwarzane podczas produkcji farb, środków farmaceutycznych i czynników chłodniczych. Narażenie na opary LZO może zagrażać zdrowiu człowieka, powodując podrażnienie oczu i ból głowy, a nawet prowadzić do uszkodzenia wątroby i nerek. Nasza zdolność do wykrywania potencjalnie szkodliwych LZO i identyfikowania ich źródła za pomocą zmysłu węchu jest cennym narzędziem przetrwania. We współczesnych zastosowaniach elektroniczne nosy, inaczej e-nosy, mają na celu osiągnięcie tego samego poprzez digitalizację zmysłu węchu. Czujnik elektroniczny do wykrywania zapachu ma jednokanałowy nanoczujnik – w przeciwieństwie do konwencjonalnych systemów e-nosów, które wykorzystują matryce czujników – i działa w temperaturze pokojowej. „Ta unikalna konstrukcja wykazuje duży potencjał w zakresie miniaturyzacji i przenośności”, piszą autorzy w swoim badaniu.
Testowanie z czterema zapachami
Aby przetestować wydajność węchową urządzenia pod względem progu zapachowego, rozróżniania zapachów i ich identyfikacji, zespół wybrał cztery zapachy oparte na LZO, szeroko stosowane do oceny zmysłu węchu u ludzi: eukaliptol (zapach eukaliptusa), 2-nonanon (zapach cytryny), eugenol (zapach goździków) i 2-fenyloetanol (zapach róży). Urządzenie zostało wystawione na działanie zapachu róży w malejących stężeniach od 19 do 4,4 części na milion i było w stanie wychwycić zapach nawet przy najniższym stężeniu. W teście rozróżniania zapachów czujnik był wystawiony na działanie czterech zapachów i był w stanie je rozróżnić z dokładnością bliską 83,3 %. Co więcej, zastosowanie algorytmów klasyfikacyjnych nadzorowanego uczenia maszynowego, takich jak liniowa analiza dyskryminacyjna, zaowocowało wysoką dokładnością identyfikacji zapachów (97,5 %). Oprócz pojedynczych zapachów, zespół zbadał również reakcję urządzenia na mieszaniny dwóch zapachów, stwierdzając, że jest ono w stanie skutecznie je przetwarzać. „Wykazano, że reakcja na mieszaniny binarne zapachów jest podobna jak w przypadku pojedynczego zapachu, podczas gdy reakcja na drugi zapach jest częściowo tłumiona. Zjawisko to jest analogiczne do efektu przyćmienia w ludzkiej percepcji węchowej podczas przetwarzania mieszanin binarnych zapachów”, donoszą autorzy. Zespół badawczy wykorzystał symulacje dynamiki molekularnej i obliczenia z zakresu teorii funkcjonału gęstości, aby wyjaśnić interakcję adsorpcyjną między cząsteczkami zapachu a materiałami odpowiadającymi za detekcję. Zapewnił również wgląd w to, jak wilgotność wpływa na opracowaną metodę i zweryfikowali ją, identyfikując inne LZO poddane testom w zastosowaniach wykrywania gazu przy użyciu wilgotnego powietrza jako gazu nośnego. Wyniki badań wykazały, że elektroniczny czujnik zapachu może skutecznie wykrywać zapachy oparte na LZO. Platforma e-nosa „wykorzystuje matryce wysoce czułych nanomateriałów funkcjonalizowanych na różne sposoby, umożliwiając w ten sposób wykrywanie i rozróżnianie znacznie większej ilości docelowych cząsteczek zapachowych i ich złożonych mieszanin. W połączeniu z urządzeniami mobilnymi do analizy danych, jest to bardzo obiecujące rozwiązanie, które w bliskiej przyszłości będzie mogło pomóc osobom z zaburzeniami węchu. Ponadto ma ono potencjał do zastosowania w wielu nowych dziedzinach, takich jak monitorowanie środowiska lub bezpieczeństwo publiczne”. Projekt CARBO-IMmap (Immune activity Mapping of Carbon Nanomaterials) zakończył się w 2022 roku. Projekt SMELLODI (Smart Electronic Olfaction for Body Odor Diagnostics) dobiegnie końca w marcu 2025 roku. Więcej informacji: strona projektu CARBO-IMmap strona projektu SMELLODI
Słowa kluczowe
CARBO-IMmap, SMELLODI, zapach, węch, e-nos, czujnik, woń, zmysł węchu, lotny związek organiczny
