بینی های الکترونیکی(حسگرهای بو)

حسگر الکترونیکی زمانی است که یک وسیله الکترونیکی بتواند حواس انسان را بازتولید کند. بینی الکترونیکی دستگاهی است که هدف آن تقلید از سیستم بویایی انسان برای بوها است. در اوایل سال 1982 اولین سیستم بویایی الکترونیکی پیشنهاد شد. این مدل اول دو فرض از سیستم بویایی پستانداران ارائه کرد: (1) مبدل های مخصوص بو ضروری نیستند و (2) سیگنال های بو را می توان آموخت. در سال 1994، تعریف جدیدی برای سیستم های بویایی مصنوعی ارائه شد:

بینی الکترونیکی ابزاری است که شامل مجموعه ای از حسگرهای شیمیایی با ویژگی جزئی و یک سیستم تشخیص الگوی مناسب است که قادر به تشخیص بوهای ساده یا پیچیده است. - گاردنر و بارتلت (1994، تاریخچه مختصری از بینی های الکترونیکی)

شکل 1. نمای کلی دماغه الکترونیکی

به این ترتیب، دماغه های الکترونیکی که اغلب به اختصار E-noses نامیده می شوند، دستگاه های سنجش الکترونیکی هستند که برای تجزیه و تحلیل عینی عطرها استفاده می شوند. بینی E اغلب از یک سیستم آرایه حسگر هوشمند تشکیل شده است که عملکردهای بویایی بیولوژیکی را تقلید می کند.

نمایش تمام سازندگان بینی های الکترونیکی(حسگرهای بو)

از بینی های الکترونیکی می توان برای بوییدن مواد فرار بدون بویایی استفاده کرد که افراد و حیوانات ممکن است قادر به بوییدن آنها نباشند و بسیاری از بینی های الکترونیکی مخصوص کاربرد هستند. پیشرفت‌های اخیر در آرایه‌های حسگر، الگوریتم‌های تشخیص الگو و سیستم‌های بیونیک امکان‌سنجی تجاری E-noses را افزایش داده است و بسیاری از سیستم‌های E-nose اکنون برای خرید در دسترس هستند.

اصول سیستم بویایی

بوها زمانی اتفاق می‌افتند که ترکیباتی (به نام بوی‌دهنده) گیرنده‌های حفره بینی را تحریک می‌کنند. بوها مولکولهای آبگریز، فرار و کوچکی هستند که معمولاً کمتر از 300 دالتون وزن دارند. بر اساس تحقیقات دکتر آندریاس کلر در سال 2014، افراد می توانند بیش از یک تریلیون بو را شناسایی کنند، در حالی که قبلاً تصور می شد که افراد فقط می توانند تا 10000 ماده مختلف را بر اساس بوی خود تشخیص دهند.

شکل 2. بویایی در انسان

پستانداران حدود 6 تا 10 میلیون نورون حسی بویایی در حفره بینی خود دارند. گیرنده های بو در حفره بینی می توانند بین گیرنده های ترکیبات شیمیایی مختلف تمایز قائل شوند. مواد خوشبو کننده منفرد می توانند بیش از یک گیرنده را فعال کنند و برخی بسته به ساختار شیمیایی خود به گیرنده خاصی متصل می شوند. الگوی فعال شدن این ترکیبات روی گیرنده ها به مغز سیگنال می دهد و به افراد اجازه می دهد بین بوها تفاوت قائل شوند. 

اجزای بینی های الکترونیکی

مزیت اصلی E-noses نسبت به بسیاری از فناوری های پیچیده دیگر که بو را تجزیه و تحلیل می کنند این است که معمولاً ارزان تر و استفاده آسان تر هستند. برای مثال، طیف‌سنجی گازی می‌تواند تعداد و غلظت اجزای منفرد را در یک بو با دقت بیشتری اندازه‌گیری کند، اما اغلب گران‌تر و استفاده از آن پیچیده‌تر است. E-nose می تواند مشخصات کلی یک رایحه را بدون نیاز به اندازه گیری غلظت هر ترکیب ارزیابی کند.  

حسگرها

حسگرها جزء اصلی بینی های E هستند که به بوها پاسخ می دهند. اکثر دماغه های الکترونیکی از آرایه های حسگر شیمیایی استفاده می کنند که به محض تماس گاز با سنسور واکنش نشان می دهند. داده ها با استفاده از مدل ها و الگوریتم های آماری تفسیر می شوند. برخی از سنسورهایی که برای E-noses اعمال شده اند عبارتند از و محدود به موارد زیر نیستند:

• نیمه هادی های اکسید فلز (MOS) و ترانزیستورهای اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز (MOSFET) - تغییرات پتانسیل الکترواستاتیک توسط این سنسورها ثبت می شود. سنسورهای MOS و MOSFET حساسیت کمتری به رطوبت دارند و انتقال کمتری بین اندازه‌گیری‌ها دارند. حسگرهای MOS به ترکیباتی مانند اتانول حساس هستند و ممکن است در اندازه گیری ترکیباتی مانند گوگرد و اسیدهای ضعیف مشکل داشته باشند.

• سنسورهای گاز با استفاده از پلیمرهای رسانا (مانند پلی آنیلین و پلی پیرول به عنوان لایه‌های فعال) - بسیاری از حسگرهای گاز تجاری از اکسیدهای فلزی استفاده می‌کنند، با این حال پلیمرهای رسانا حساسیت‌های بالا و زمان پاسخ کوتاه‌تری را ارائه می‌کنند که آنها را برای استفاده در بینی‌های E ایده‌آل می‌کند. پلیمرهای رسانا در هنگام جذب گاز تغییر مقاومت دارند و به ترکیبات قطبی بسیار حساس هستند. این سنسورها رانش بیشتری را نشان می دهند اما می توانند در دمای محیط استفاده شوند. آنها همچنین مستعد حساسیت به رطوبت هستند. 

• حسگرهای مبتنی بر کامپوزیت های پلیمری – این حسگرها ممکن است از نانولوله های کربنی و گرافن استفاده کنند و در سنجش گاز با استفاده از روش های الکتروشیمیایی و نوری برای تشخیص مهارت دارند.

• کریستال های پیزوالکتریک - حسگرهای موج آکوستیک حجیم (BAW) و امواج صوتی سطحی (SAW) را می توان برای دماغه های E اعمال کرد. هنگامی که حسگرها با گاز مواجه می شوند، یک تغییر در فرکانس وجود دارد که می تواند برای شناسایی ترکیبات استفاده شود. 

• گیرنده های بویایی – پیشرفت های اخیر با الهام از زیستی در بینی های الکترونیکی از نانو بیوتکنولوژی برای ایجاد بینی های بیوالکترونیک استفاده می کند. بینی های بیوالکترونیک می توانند از گیرنده های بویایی استفاده کنند که پروتئین های شبیه سازی شده از موجودات بیولوژیکی هستند. هر پروتئین گیرنده به یک مولکول بوی خاص پاسخ می دهد، بسیار شبیه به سیستم پستانداران. برخی از دستگاه‌ها حسگرهای متعددی را برای تمایز بین طیف وسیع‌تری از گازها و مجموعه‌ای وسیع‌تر از شرایط ترکیب می‌کنند. 

دماغه های الکترونیکی را می توان برای اندازه گیری تغییرات فشار و دما به جز ترکیبات آلی که بو را تشکیل می دهند، استفاده کرد. این می تواند هنگام تجزیه و تحلیل برخی از بوها مهم باشد زیرا ویژگی های فیزیکی نیز می تواند اطلاعاتی در مورد بو بدهد. به عنوان مثال، بوی آبجو به دلیل وجود بخار الکل، فشار هوا را کمی کاهش می دهد و دما را افزایش می دهد. در نظر گرفتن این ویژگی های فیزیکی می تواند دقت بینی های الکترونیکی را در برخی کاربردها افزایش دهد. برای شبیه‌سازی بوییدن پستانداران، حرکت هوا در یک الگوی سنسورها نیز می‌تواند دقت حسگرهای گاز را افزایش دهد.

هوش مصنوعی

به طور معمول، در E-noses تمام داده های حسگر توسط یک سیستم محاسباتی که از تشخیص الگو استفاده می کند، تجزیه و تحلیل می شود. هوش مصنوعی (AI) و شبکه های عصبی مصنوعی اغلب برای بینی های E به کار می روند. دماغه های الکترونیکی ابتدا با نمونه هایی آموزش داده می شوند تا پایگاه های داده بسازند تا از آنها به عنوان مرجع استفاده شود. سپس سیستم می تواند نمونه های جدید را با مقایسه آنالیز با نمونه های پایگاه داده شناسایی کند.

بسیاری از بوها از چندین مولکول مختلف ساخته شده اند. برخی از چالش‌ها در تشخیص دقیق بوها باقی می‌مانند و بینی الکترونیکی ممکن است با تفسیر اشتباه داده‌های جمع‌آوری‌شده به‌عنوان بوهای جداگانه به جای تفسیر ترکیبی از مولکول‌ها به عنوان یک بوی خاص، با چالش‌هایی مواجه شود.

برنامه های کاربردی

دماغه های الکترونیکی در بسیاری از صنایع مانند کشاورزی، غذا، محیط زیست و کاربردهای امنیتی و نظامی کاربرد دارند. این دستگاه ها کاربردهای قابل توجهی برای کاربردهای تولیدی و صنایع غذایی دارند و شروع به ادغام در سایر صنایع می کنند. از بینی های الکترونیکی می توان به عنوان ابزار تشخیصی در صنعت پزشکی نیز استفاده کرد و برای تشخیص بیماران استفاده می شود. آنها همچنین در صنعت عطر و لوازم آرایشی با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته اند.

صنایع غذایی

صنعت غذا بسیار گسترده است و طیف وسیعی از محصولات در دسترس است، از ماندگاری ماندگار تا ماندگاری کوتاه و غذاهای لذیذ گرفته تا غذاهای ساده. بو می تواند بینشی در مورد بسیاری از جنبه های صنعت غذا ارائه دهد.

• برای تعیین زمان نگهداری، رسیده بودن میوه‌هایی مانند سیب را تجزیه و تحلیل کنید

• زمان آماده شدن محصولات برای برداشت را تعیین کنید

• پیری مشروب را کنترل کنید

• انواع چای سیاه را متمایز کنید و کیفیت چای را پیش بینی کنید

• شناخت تنباکو

• پایش کیفیت هوای داخل ساختمان 

صنعت پزشکی

توانایی بوییدن در زمانی که فردی بیمار است، درک جدیدی نیست زیرا پزشکان صدها سال پیش بیماران را بو می کردند تا تشخیص دهند که آیا آنها بیماری خاصی دارند یا خیر. برخی از بیماری ها بر اساس مواد شیمیایی که در بدن تولید می کنند، بوهای متمایز ایجاد می کنند.

• تجزیه و تحلیل تنفس برای نشانگرهای زیستی و تشخیص بیماری

• تشخیص سرطان ریه و سرطان مغز

• تشخیص تشدید COPD

• کاشت بینی

• تشخیص بیماری روده از نمونه های مدفوع

• اندازه گیری سطح گلوکز خون از طریق تنفس

  منبع

   

• globalspec.com