E-næse kan skelne forskellige mintdufte

I naturen, dufte fra planter tiltrækker dyr som insekter. Imidlertid, dufte bruges også i industrien, for eksempel ved fremstilling af parfume og aromaer. For at opnå en pålidelig, hurtig, og objektiv diskrimination af især myntedufte, forskere ved KIT (Karlsruhe Institute of Technology) indledte et tværfagligt samarbejde og udviklede en elektronisk næse med en kunstig lugtesans. Denne E-næse opnår høj præcision ved at genkende forskellige myntearter, hvilket gør det til et velegnet værktøj til anvendelser lige fra farmaceutisk kvalitetskontrol til overvågning af mynteolie som et miljøvenligt bioherbicid.

"Indtil nu, videnskabsmænd var i stand til at identificere anslået 100, 000 forskellige biologiske forbindelser, hvorigennem naboplanter interagerer med hinanden eller kontrollerer andre organismer, såsom insekter, " siger professor Peter Nick fra Botanical Institute of KIT. "Disse forbindelser er meget ens i planter af samme slægt." Et klassisk eksempel fra planteverdenen er mynte, hvor de forskellige sorter producerer med meget artsspecifikke dufte. Industriel kvalitetskontrol af mynteolie, i særdeleshed, er underlagt strenge lovbestemmelser for at forhindre forfalskning, er tidskrævende, og kræver stor ekspertise, forklarer videnskabsmanden. En ny "elektronisk næse" udstyret med sensorer lavet af kombinerede materialer vil understøtte denne proces. Forskere fra Botanisk Institut, Institute of Functional Interfaces (IFG), Institut for Mikrostrukturteknologi (IMT), og Light Technology Institute (LTI) fra KIT udviklede og testede i fællesskab disse sensorer med seks forskellige myntearter.

Elektronisk næse baseret på en biologisk model

I udviklingen af ​​E-næsen, hele forskerholdet er så vidt muligt blevet styret af den biologiske model:Lugtecellerne, som hos mennesker overfører information til hjernen via elektriske impulser, er erstattet af tolv specielle QCM (Quartz Crystal Microbalance) sensorer. Disse sensorer består af to elektroder udstyret med en kvartskrystal. Blandt andre, sådanne komponenter kan også findes i mobiltelefoner, da de garanterer meget nøjagtige mobiltelefonfrekvenser til lave omkostninger. "Mintduftene aflejres på sensorernes overflade. Dette ændrer deres resonansfrekvens, og vi får en reaktion på den respektive duft, " forklarer professor Christof Wöll fra IFG. Dufte består af organiske molekyler i forskellige sammensætninger. For at sætte de nye sensorer i stand til at absorbere disse molekyler, IFG-forskerne brugte tolv specifikke sensormaterialer, herunder de metalorganiske rammer (MOF'er), der er udviklet ved IFG. "Disse materialer er meget porøse og særligt velegnede til sensorapplikationer, fordi de kan absorbere mange molekyler som en svamp, " siger Wöll. "Ved at kombinere sensorerne med de forskellige materialer, vi skaber, hvad man kan kalde et neuralt netværk."

Bruger maskinlæring til at træne E-næsen med seks myntearter

Forskerne testede den elektroniske næse med seks forskellige myntearter – inklusive klassisk pebermynte, hestemynte og katteurt. "Vi bruger forskellige maskinlæringsmetoder til at træne sensorerne, så de kan skabe fingeraftrykket af den respektive duft ud fra de indsamlede data og dermed skelne duftene, " siger Wöll. Efter hver duftprøve, E-næsen skylles med kuldioxid (CO ₂ ) i cirka en halv time for at tillade sensorerne at regenerere.

Resultaterne opnået af det tværfaglige forskerhold har vist, at den elektroniske næse med sine QCM-sensorer kan tildele myntedufte med høj specificitet til en bestemt art. Ud over, det er en brugervenlig, pålidelig, og omkostningseffektivt alternativ til konventionelle metoder såsom massespektrometri, siger videnskabsmanden videre. Den videre udvikling vil fokusere på sensorer, der regenererer hurtigere for at opfange dufte igen. IFG-forskerne vil fortsætte med at koncentrere sig om MOF-materialer for at tilpasse dem til andre applikationer, såsom kunstig lugteopfattelse til medicinsk diagnostik.