Hoofdstuk 9: Elektronische neus

Een elektronische neus is een soort elektronische detectietechnologie die speciaal is ontworpen om aroma's of smaken te detecteren. Elektronische detectie is de kracht van het dupliceren van menselijke zintuigen via het gebruik van sensorarrays en patroonherkenningsalgoritmen. Deze vaardigheid wordt 'elektronische detectie' genoemd.

Sinds 1982 doen wetenschappers onderzoek naar de ontwikkeling van technologieën die geuren en smaken kunnen detecteren en identificeren. Deze technologieën worden vaak elektronische neuzen genoemd. De stappen van het herkenningsproces zijn analoog aan die van menselijke reukzin. Deze fasen worden uitgevoerd met het oog op identificatie, vergelijking, kwantificering en verschillende andere toepassingen, zoals het opslaan en ophalen van gegevens. Sommige van deze gadgets worden gebruikt in de industriële sector.

Menselijke sensorische analyse, chemosensoren of gaschromatografie zijn de drie methoden die het vaakst worden gebruikt in het proces van geurevaluatie in alle sectoren van de economie. Deze laatste methode biedt informatie over vluchtige organische chemicaliën, maar het verband tussen analytische gegevens en gemiddelde geurperceptie is niet direct vanwege de verschillende interacties die kunnen optreden tussen een aantal verschillende geurige componenten.

De biologische component van de Wespenhond geurdetector bestaat uit vijf parasietwespen die getraind zijn om te zwermen in reactie op de aanwezigheid van een bepaalde chemische stof. De mechanische component van de Wasp Hound geurdetector is een videocamera.

Het idee dat het onmogelijk was om een geur te detecteren, werd onder de aandacht van het grote publiek gebracht door de wetenschapper Alexander Graham Bell, die in 1914 het volgende verklaarde:

Heb je ooit geprobeerd een geur te kwantificeren? Ben je in staat om te bepalen of het ene aroma net twee keer zo sterk is als het andere? Is het mogelijk om te kwantificeren in hoeverre twee verschillende soorten geuren van elkaar verschillen? Van de geur van rozen en viooltjes tot het aroma van asafetida, het is overduidelijk dat er een enorme verscheidenheid is in de geuren die voor ons beschikbaar zijn. Je zult echter niet in staat zijn om een wetenschap van geur te ontwikkelen, tenzij je hun overeenkomsten en onderscheidingen kunt kwantificeren. Als je vastbesloten bent om een nieuwe tak van wetenschap te ontdekken, probeer dan geuren te meten.

- Alexander Graham Bell, 1914

Nadat Bell deze opmerking had gemaakt, gingen er vele decennia voorbij, maar er bestond nog steeds niet zoiets als een wetenschap van geur, en het was pas in de jaren 1950 en later dat er enige significante vooruitgang werd geboekt op dit gebied.

Omdat menselijke reukzin een proces is dat fungeert als een niet-separatief systeem - dat wil zeggen dat een geur of smaak wordt herkend als een wereldwijde vingerafdruk - is de elektronische neus ontworpen om menselijke reukzin na te bootsen.

Hieronder volgen enkele van de sensoren die het vaakst worden gebruikt in elektronische neuzen:

MOSFET-apparaten zijn een soort transistor die kan worden gebruikt om elektrische signalen te vergroten of te schakelen tussen andere soorten signalen. Dit is gebaseerd op het idee dat moleculen die het sensorgebied bereiken een positieve of negatieve lading zouden krijgen, die een directe impact zou moeten hebben op het elektrische veld dat aanwezig is in de MOSFET. Daarom zal de introductie van elk volgend geladen deeltje de transistor op een verschillende manier direct beïnvloeden, wat resulteert in een verandering in het MOSFET-signaal dat vervolgens kan worden gelezen door computersystemen die zijn ontworpen voor patroonherkenning. Daarom zal in de praktijk elk waarneembaar molecuul zijn eigen unieke signaal hebben dat een computersysteem moet ontcijferen.

organische polymeren die elektriciteit kunnen geleiden, worden geleidende polymeren genoemd.

polymeercomposieten worden gemaakt van niet-geleidende polymeren met de toevoeging van geleidend materiaal zoals carbon black. Ze worden gebruikt op een manier die analoog is aan die van geleidende polymeren.

Een kwartskristalmicrobalans, vaak bekend als een QCM, is een techniek voor het bepalen van de massadichtheid van een bepaald gebied door de frequentieverschuiving van een kwartskristalresonator te volgen. Deze informatie kan in een database worden ingevoerd en op een later tijdstip als referentie worden gebruikt.

SAW is een afkorting voor oppervlakteakoestische golf, die verwijst naar een categorie micro-elektromechanische systemen (MEMS) die een fysiek feit detecteert via de modificatie van oppervlakteakoestische golven.

Geminiaturiseerde versies van massaspectrometers kunnen op een dag dienen als stand-in voor meer veelzijdige gasanalysetools. Studies van de luchtstroom rond hondenneuzen, evenals experimenten uitgevoerd op levensgrote modellen, hebben aangetoond dat een cyclische "snuffelactiviteit" die vergelijkbaar is met die van een echte hond nuttig is in termen van verbeterd bereik en reactiesnelheid.

Om een database met referenties samen te stellen, is het eerste dat moet gebeuren dat een elektronische neus moet worden getraind met behulp van kwalificerende monsters. Daarna zal het instrument in staat zijn om verse monsters te identificeren door de vingerafdruk van een vluchtige component te vergelijken met die welke al in zijn database zijn opgeslagen. Ze zijn in staat om zowel kwalitatieve als kwantitatieve analyses uit te voeren als gevolg hiervan. Dit kan echter ook een probleem vormen, omdat veel geuren zijn samengesteld uit tal van verschillende moleculen. Omdat het apparaat deze verschillende moleculen als afzonderlijke verbindingen registreert, kan het de geuren verkeerd interpreteren, wat leidt tot onjuiste of onnauwkeurige bevindingen, afhankelijk van het hoofddoel van een neus. De analyse van e-nose-signalen, met name die met betrekking tot onderzoek naar vleeskwaliteit, kan baat hebben bij het gebruik van deze dataset als referentie. De indeling van rundvlees in vele klassen en de voorspelling van microbiële populaties met behulp van regressie zijn de twee primaire doelen van deze dataset.

De volgende zijn enkele van de vele toepassingen waarvoor elektronische neusinstrumenten worden gebruikt in onderzoeks- en ontwikkelingslaboratoria, kwaliteitscontrolelaboratoria en proces- en productieafdelingen:

Conformiteit van producten in alle stadia van de productie, van grondstoffen tot eindproducten

Consistentie van de ene batch naar de volgende

De identificatie van vervalsing, besmetting en verslechtering

Oorsprong, of de keuze van de verkoper

Controle en observatie van de opslagomstandigheden

Toezicht op de kwaliteit van het vlees

Beheer van de variabiliteit van grondstoffen

In vergelijking met een standaard- of referentieproduct

Evaluatie en analyse van de manieren waarop het productieproces de eindproducten beïnvloedt

Efficiëntie van de procedure voor opvolging en reiniging ter plaatse

Monitoring van opschaling

Het handhaven van een schone omgeving tijdens het observeren.

een vergelijking van een aantal verschillende formuleringen of recepten samen met een sensorische analyse

Vergelijkende analyse van artikelen van andere markten

Een analyse van het effect dat een wijziging van de procedure of de componenten heeft op de zintuiglijke kwaliteiten.

De identificatie van potentieel gevaarlijke en toxische bacteriën, zoals software die uitdrukkelijk is ontworpen om de geur van MRSA (Methicilline-resistente Staphylococcus aureus) te identificeren. Naast het kunnen herkennen van tal van andere verbindingen, is het ook in staat om methicilline-gevoelige S. aureus (MSSA) te identificeren. Er is verondersteld dat als het strategisch zou worden geïnstalleerd in de ventilatiesystemen van ziekenhuizen, het in staat zou zijn om de besmetting van andere patiënten of apparatuur door een breed scala aan extreem besmettelijke infecties te identificeren en als gevolg daarvan te voorkomen.

De diagnose van longkanker of andere medische ziekten kan worden gesteld door de niveaus van vluchtige organische stoffen (VOS) te analyseren, die indicatoren zijn van de aanwezigheid van de medische aandoening.

De identificatie van bacteriële en virale infecties bij patiënten met COPD die een exacerbatie ervaren.

De kwaliteitscontrole van voedselgoederen omdat het gemakkelijk in voedselverpakkingen kan worden geplaatst om het overvloedig duidelijk te maken wanneer voedsel is begonnen te rotten of in het veld wordt gebruikt om bacteriële of insectenbesmetting te identificeren. Beide toepassingen zijn noodzakelijk voor een effectieve kwaliteitscontrole.

Mensen die lijden aan anosmie of een verminderd reukvermogen hebben, kunnen baat hebben bij het hebben van neusimplantaten die de aanwezigheid van aardgas kunnen detecteren.

De elektronische neus werd door de Brain Mapping Foundation gebruikt om kankercellen in de hersenen te lokaliseren.

Het vermogen van de elektronische neus om geurloze geuren te detecteren, maakt het ideaal voor gebruik bij de politie. De elektronische neus is bijvoorbeeld in staat om bomgeuren te detecteren ondanks andere luchtgeuren die politiehonden kunnen verwarren. Dit vermogen maakt de elektronische neus ideaal voor gebruik bij de politie.

Bovendien heeft het het potentieel om te dienen als een instrument voor de identificatie van illegale drugs op luchthavens. Het is mogelijk om de locatie van verdovende middelen in minder dan een paar seconden tot op enkele meters van hun werkelijke locatie te trianguleren door zorgvuldig meerdere of meer elektronische neuzen te...