Technologia

Węsząca elektronika

Numer 6/2019
Peres Food Sniffer, czyli przenośny nos elektroniczny wykrywający nieświeżą żywność. Peres Food Sniffer, czyli przenośny nos elektroniczny wykrywający nieświeżą żywność. Foodsniffer / materiały prasowe
Potrafią wykryć nowotwory i narkotyki, ostrzegać przed bombami i czadem, a nawet wskazać nieświeże mięso i podrobione wino. Nosy elektroniczne znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach życia. Chociaż powstały na wzór naszego narządu węchu, to znacznie przewyższają jego możliwości.
Nos ­elektroniczny i oczyszczacz powietrza polskiej firmy Emerald.Emerald/materiały prasowe Nos ­elektroniczny i oczyszczacz powietrza polskiej firmy Emerald.
Sztuczny ­system węchowy do wykrywania raka i jego twórca prof. Hossam Haick. W ­prawej ręce ­nauko­wca matryca czujników.Justyna Jońca Sztuczny ­system węchowy do wykrywania raka i jego twórca prof. Hossam Haick. W ­prawej ręce ­nauko­wca matryca czujników.

Nos. Może być perkaty lub zadarty, za duży lub za długi, a nawet usiany piegami. Jest źródłem kompleksów, a czasem przyczyną szukania pomocy u chirurga plastycznego. Tymczasem spełnia on tak liczne funkcje w naszym życiu, że dramatyzowanie z powodu jego wyglądu jest bezsensowne. Jednym z jego zadań jest odbiór i identyfikacja zapachów. To dzięki nosowi możemy poczuć woń nowych perfum i aromat świeżo zmielonej kawy. To on ostrzega nas przed swądem spalenizny i zapachem ulatniającego się gazu. I to on powie nam, że czas na prysznic i zmianę skarpetek. Nic dziwnego, że naukowcy postanowili skopiować to cudowne dzieło natury, tworząc nosy elektroniczne.

Jak zmierzyć zapach?

Zapach to nic innego jak mieszanina lotnych substancji, czyli cząsteczek chemicznych. Gdy receptory węchu w naszych nosach otrzymują taką mieszaninę, wysyłają sygnały do mózgu, który przypisuje jej określony zapach. Nos elektroniczny działa w podobny sposób, ale funkcje receptorów spełniają czujniki przesyłające sygnał do komputera. Urządzenie składa się zazwyczaj z kilkunastu lub kilkudziesięciu takich detektorów (tzw. matryca czujników).

Sercem każdego czujnika jest warstwa precyzyjnie dobranego materiału aktywnego. Najczęściej stosuje się półprzewodzące tlenki metali (np. tlenek cyny) lub przewodzące polimery organiczne (np. odpowiednio zmodyfikowana polianilina), które wykazują zmianę przewodnictwa pod wpływem interakcji z analizowanymi molekułami. Dużym powodzeniem cieszą się również mikrowagi kwarcowe, czyli kryształy, w których zmienia się częstotliwość drgań, gdy z ich powierzchnią zwiążą się cząsteczki lotnego związku. Ostatnio powstaje też coraz więcej tzw. czujników olfaktorycznych będących dosłownym odzwierciedleniem tego, co mamy w nosie (patrz ramka).

Zapach, który czujemy, pochodzi zazwyczaj od kilkudziesięciu lub nawet kilkuset związków chemicznych, a my odbieramy tylko ogólne wrażenie. Innymi słowy, nie potrafimy zidentyfikować indywidualnych molekuł składających się np. na zapach truskawki. Podobnie jest ze sztucznymi systemami węchowymi. Analiza sygnałów generowanych przez matrycę czujników nie ma na celu detekcji konkretnego związku, ale identyfikację mieszaniny gazowej jako całości. Dlatego też w nosach elektronicznych żaden z detektorów nie jest nastawiony na analizę konkretnej molekuły, ale za to każdy reaguje na swój sposób z daną mieszaniną gazową.

Sygnał generowany przez zestaw czujników, zwany odciskiem palca zapachu, jest bardzo skomplikowany i musi być opracowywany za pomocą programów typu pattern recognition (rozpoznawania wzorca) lub sieci neuronowych. Sieć neuronowa to taki analog mózgu w biologicznym systemie węchowym i podobnie jak on może się uczyć bez programowania. W procesie rozpoznawania wzorca – tj. znanego zapachu – odwołuje się ona do zgromadzonych uprzednio danych, czyli „pamięci”. Przy odpowiednio dobranej matrycy czujników można więc tak „wyszkolić” nos elektroniczny, aby służył nam do różnych zastosowań. A jest ich sporo...

Na straży jakości żywności

Oczywistym zastosowaniem nosów elektronicznych jest kontrola żywności. Nawet świeże produkty zawierają bakterie, które wraz z upływem czasu lub w wyniku nieprawidłowego przechowywania towaru namnażają się, psując żywność. Nasz narząd węchu wyczuwa oczywiście nieprzyjemny zapach towarzyszący temu procesowi, ale zazwyczaj wówczas, gdy jest on już daleko posunięty. Sztuczny nos potrafi zareagować o wiele wcześniej. Peres Food Sniffer, czyli pierwszy przenośny nos elektroniczny mogący wykryć nieświeży nabiał, ryby i mięso, składa się z czujników temperatury, wilgotności, obecności amoniaku i – co najważniejsze – lotnych substancji organicznych charakterystycznych dla zepsutej żywności. Urządzenie wykorzystuje technologię Bluetooth do łączności z aplikacją w telefonie, oceniającą przydatność produktu do spożycia. Nos można zatem zabrać na zakupy i zweryfikować, czy to, co wkładamy do koszyka, jest na pewno świeże.

Sztuczne nosy stoją też na straży jakości herbaty i kawy. Aromat herbaty zależy od odmiany rośliny, z jakiej zostały zerwane liście, oraz od sposobu ich przygotowania, na który składa się więdnięcie, skręcanie, fermentacja i suszenie. Ważne jest nawet to, czy zostały one zmiażdżone, pocięte, czy rozerwane. Wszystkie te czynniki wpływają na rodzaj substancji zapachowych produkowanych przez liście i na to, czy mamy do czynienia z herbatą o niskiej, czy wysokiej jakości. Podobnie sprawa wygląda z kawą. Jej zapach zależy od rodzaju i stopnia dojrzałości ziaren oraz ich obróbki (zbieranie, suszenie, palenie). Ceniona za unikalny aromat, niską kwasowość i zawartość kofeiny Arabica jest uważana za kawę z wyższej półki. By zwiększyć zyski, często miesza się ją z gorszą gatunkowo kawą Robusta. Nic jednak nie ukryje się przed czujnym nosem ekipy z University of Warwick. Wykorzystując dostępne na rynku czujniki półprzewodnikowe, badacze ci od lat konstruują sztuczne nosy, które bez problemu wskazują, w której paczce znajduje się domieszka gorszej gatunkowo kawy czy herbaty.

Na tym zastosowanie nosów elektronicznych w sektorze spożywczym się nie kończy. Potrafią one także odróżnić coca-colę od pepsi, określić stopień dojrzałości owoców, wskazać dobre gatunkowo whisky i... wykryć podrobione wino.

Na tropie fałszerzy win i perfum

Zachowane dokumenty i historyczne przekazy dowodzą, że wino fałszowano od zawsze. Nic dziwnego, skoro cena niektórych butelek może przyprawić o zawrót głowy. Dobry sommelier potrafi oczywiście odróżnić oryginał od podróbki. Co jednak zrobić, gdy nie ma w pobliżu żadnego znawcy win? Sięgnąć po nos elektroniczny! Na przykład po ten stworzony przez ekipę z Université de Bourgogne we Francji. Sprzęt potrafi wskazać rocznik wina po… zapachu beczki, w której ono dojrzewało. Drewno budujące beczkę uwalnia bowiem do trunku szereg związków chemicznych, nadających mu charakterystyczny zapach. Aromat ten zmienia się jednak z wiekiem beczki. Jeżeli więc sztuczny nos wskaże, że użyto beczek młodszych niż deklarowany rocznik wina, to mamy do czynienia z podróbką.

Sztuczny nos przydałby nam się także przy zakupie perfum. Wielu fałszerzy szuka łatwego zarobku, podrabiając znane marki, których skład jest zresztą dobrze znany. Takie urządzenie zostało już stworzone m.in. przez naukowców z Politechniki Gdańskiej. Ich sztuczny nos z matrycą czujników półprzewodnikowych nie dał się nabrać na podróbki takich zapachów jak Dior Fahrenheita, J’Ose Eisenberga, La Nuit de L’Homme YSL, Loewe 7 i Spicebomb marki Viktor & Rolf.

Świeże powietrze na Ziemi i… w kosmosie

Inny nos wspomnianych badaczy z Gdańska ma o wiele mniej przyjemne zadanie. Musi bowiem „węszyć” na wysypiskach śmieci czy w pobliżu oczyszczalni ścieków. Urządzenie nie tylko zidentyfikuje źródło nieprzyjemnej woni, ale też dokona pomiaru intensywności zapachu i – co za tym idzie – oszacuje tzw. uciążliwość, bo paskudny zapaszek może wywoływać problemy oddechowe, bóle głowy, nudności, a nawet depresję. Z uwagi na nowe regulacje prawne związane z dbałością o jakość powietrza pojawiła się potrzeba szybkiego wykrywania szkodliwych zapachów. Do tej pory analizy trwały godzinami i wymagały zatrudnienia wykwalifikowanego personelu. Nos elektroniczny ma skrócić ich czas do zaledwie minuty!

Jeżeli chodzi o monitorowanie powietrza wewnątrz budynków, to bardzo ciekawe rozwiązanie zaproponowała polska firma Emerald, która skonstruowała nos elektroniczny i oczyszczacz powietrza komunikujące się za pomocą technologii Bluetooth. Każde z urządzeń może działać niezależnie, ale dopiero razem tworzą kompletny zestaw. Nos przesyła informacje do oczyszczacza, aby ten się włączył, gdy poziom zanieczyszczeń przekracza normy. Sprzęt monitoruje temperaturę powietrza, ciśnienie, wilgotność oraz poziom lotnych związków organicznych, które powodują tzw. syndrom chorego budynku. Wielu z nas po wejściu do biurowca zaczyna nagle źle się czuć: kaszlemy, swędzą nas oczy, boli nas głowa. Źródłem zanieczyszczeń mogą być mikroorganizmy żyjące w przewodach wentylacyjnych, materiały budowlane i elementy wyposażenia wnętrz, a także produkty uboczne oddychania i pocenia się. Syndrom ten może dotyczyć aż 30% nowych i odnawianych budynków na świecie. Nic dziwnego, że polskim produktem zainteresowani są inwestorzy ze Stanów Zjednoczonych, Australii czy Wielkiej Brytanii.

Sztuczne nosy świetnie radzą sobie także w kosmosie. ENose stworzony przez Jet Propulsion Laboratory przez 6 miesięcy monitorował powietrze na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. W tym czasie zidentyfikował takie gazy jak formaldehyd, freon 218, metanol i etanol, ale ich stężenie nie zagrażało życiu astronautów. Urządzenie wróciło na Ziemię w 2009 r., gdzie zostało „przeszkolone” do wykrywania tlącego się ognia czy odnajdywania niewybuchów. Ciekawe są również perspektywy wykorzystania ENose w... diagnostyce raka.

Wywęszyć raka

W wyniku metabolizmu nasze organizmy produkują ogromną liczbę związków chemicznych. Część z tych molekuł jest wydzielana w postaci lotnych substancji, które możemy znaleźć m.in. w moczu, pocie czy wydychanym powietrzu. Ponieważ metabolizm chorych ludzi różni się od metabolizmu zdrowych jednostek, skład wydzielanych przez nich substancji się zmienia. W rezultacie pojawiają się nowe, charakterystyczne dla danej choroby cząsteczki chemiczne, zwane biomarkerami. Lista molekuł składających się na zapach danego schorzenia jest bardzo długa, ale ich stężenie jest na tak niskim poziomie, że zazwyczaj nie potrafimy ich wyczuć. Na szczęście nosy elektroniczne radzą sobie z tym znakomicie. Wspomniany wyżej ENose jest w stanie zdiagnozować raka mózgu. Natomiast NaNose, czyli sztuczny system węchowy z nanocząsteczkami złota, opracowany w Technion – Israel Institute of Technology odróżnia oddech zdrowych pacjentów od tych cierpiących na raka płuc, piersi, jelita grubego czy prostaty. Świetnie orientuje się przy tym, z jakim rodzajem choroby ma do czynienia. Niektóre rodzaje raka są trudne do zdiagnozowania, gdyż nie dają żadnych objawów we wczesnym stadium rozwoju. Nosy elektroniczne dzięki swojej czułości pozwoliłyby na szybsze wykrycie choroby i – co za tym idzie – wcześniejsze leczenie.

Oprócz sztucznych nosów do wykrywania raka konstruowane są urządzenia do diagnozy innych chorób. Badacze z City University of New York opracowali nosy elektroniczne na bazie nanowłókien tlenków metali do wykrywania cukrzycy, astmy czy hipercholesterolemii, a ekipa naukowców z International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology stworzyła sztuczny nos do diagnozowania gruźlicy. Ostatnie przedsięwzięcie było wspierane przez fundację Billa i Mirandy Gatesów.

Po zapachu do przestępcy

Nie trzeba być chorym, aby zostać wytropionym przez nos elektroniczny. Metabolizm zdrowych ludzi też się różni, a to sprawia, że właściwie każdy z nas wydziela charakterystyczny zapach. Dobry nos elektroniczny wyczuwa tę subtelną różnicę na tyle, by pomyśleć o zastosowaniu go w kryminalistyce. Ekipa badaczy z Universidad Politécnica de Madrid w Hiszpanii twierdzi nawet, że sztuczne systemy węchowe mogą w przyszłości zastąpić analizy odcisków palców i badanie DNA. Ich urządzenie potrafi zidentyfikować daną osobę po zapachu dłoni. Nie myli się nawet wtedy, gdy użyto kremu do rąk czy perfum. Sprzęt mógłby nie tylko wskazać przestępcę, ale i pomóc w poszukiwaniach ofiary. I to dosłownie. Już teraz bowiem powstają roboty uzbrojone w sztuczne nosy nastawione na zapach konkretnej osoby. Jednym z nich jest Wąchacz, czyli urządzenie stworzone na Politechnice Gdańskiej, które podąża za pozostawionym przez swojego twórcę – dr. Grzegorza Jasińskiego – zapachem. Gdyby Wąchacz nauczył się jeszcze szukać i chwytać klucze, to dzięki niemu oszczędzilibyśmy sobie sporo porannych nerwów. To klucze szukałyby nas… podążając oczywiście za naszym zapachem.

***

Nos bioelektroniczny

Badania dotyczące percepcji zapachu na poziomie białek, opublikowane w 2004 r. przez noblistów Richarda Axela i Lindę Buck, znacząco przyczyniły się do rozwoju nowego typu sztucznych systemów węchowych. Jednym z takich urządzeń jest nos bioelektroniczny stworzony przez naukowców z Institut National de la Recherche Agronomique. Badacze wyizolowali geny ze zwierzęcych komórek nabłonka jamy nosowej i z wykorzystaniem drożdży jako bioreaktorów wyprodukowali duże ilości białek składających się na receptory zapachu. Przed opuszczeniem drożdżowych bioreaktorów receptory zostały zabezpieczone przed szkodliwymi warunkami środowiska w mikrokapsułkach z błony biologicznej. Tak powstałe nanosomy naniesiono na złotą elektrodę, która umożliwia pomiar zmian zachodzących w ich wnętrzu pod wpływem obecności lotnych substancji reagujących z białkami. Jak twierdzą twórcy, ich bioelektroniczne nosy mogą służyć do oceny stanu zdrowia pacjenta, wykrywania śladowych ilości narkotyków czy materiałów wybuchowych.

***

Elektroniczne języki

Skoro możemy stworzyć sztuczny węch, to dlaczego nie sztuczny smak. Elektroniczne języki są urządzeniami analogicznymi do elektronicznych nosów, ale powstały do badania próbek ciekłych, a nie gazowych. Podobnie jak nosy elektroniczne służą do oceny jakości żywności, analiz środowiskowych czy monitorowania zdrowia pacjenta. I tak np. hiszpańscy naukowcy z Universitat Politècnica de València opracowali w 2014 r. języki elektroniczne, które oceniają dojrzałość winogron poprzez analizę kwasowości owoców i stężenia cukru. Urządzenia te umożliwiają ciągłe monitorowanie procesu dojrzewania owoców, by określić najwłaściwszy czas ich zbierania. Daje to większą kontrolę nad produktem i – co za tym idzie – wzrost konkurencyjności na rynku.

***

Zapach choroby

Idea diagnozy na podstawie zapachu nie jest niczym nowym. Już w starożytności potrafili to lekarze greccy i chińscy. Woń owoców w oddechu demaskuje cukrzycę, niewydolność wątroby poznaje się po zapachu surowej ryby, a oddech cierpiących na tyfus pachnie jak świeży chleb. Warto również zwrócić uwagę na zapach moczu, potu i ran. Infekcja pęcherza moczowego sprawia bowiem, że mocz pachnie jak amoniak. Pot chorych na różyczkę wydziela woń świeżo wyskubanych piór, a rany zakażone pałeczką ropy błękitnej pachną jaśminem.

***

Szczekający pomocnik

Psy mają silniejszy zmysł węchu niż my, dlatego są wykorzystywane do szukania zaginionych osób, narkotyków, ładunków wybuchowych, a nawet pieniędzy. Nasi czworonożni przyjaciele potrafią także ostrzegać przed takimi chorobami jak epilepsja, cukrzyca czy… rak. W 1989 r. w czasopiśmie medycznym „Lancet” ukazało się doniesienie o tym, że pewien pies zaczął obwąchiwać znamię na nodze swojego opiekuna. Później okazało się, że był to nowotwór złośliwy – czerniak. Od tamtej pory na całym świecie powstały setki ośrodków szkolących psy w celu wykrywania raka jelita grubego, prostaty czy jajników. Jednym z nich jest Instytut Genetyki i Hodowli Zwierząt PAN, w którym od 2003 r. problemem tym zajmuje się prof. Tadeusz Jezierski. Jego pupile pracują nad wykrywaniem raka płuc i piersi. Ich skuteczność waha się od 70 do 90%.

***

Pachnie mi tu nanotechnologią

Przy konstrukcji czujników półprzewodnikowych wykorzystuje się tlenki cyny, cynku, miedzi, kobaltu czy żelaza. Często też stosuje się mieszankę dwóch półprzewodników lub warstwę tlenku pokrywa się nanocząsteczkami palladu bądź platyny. Co więcej, same tlenki mogą być zaprojektowane w nanoskali i wylądować na powierzchni elektrody w postaci nanopałeczek, nanorurek lub nanokropek. A ponieważ każda z tych struktur ma odmienne właściwości fizykochemiczne, to inaczej reaguje na analizowaną mieszaninę gazową. Daje to wręcz nieograniczone możliwości konstrukcji czujników, z których można wybrać te o interesującej nas charakterystyce.

Podobnie sprawa ma się z polimerami. Powstają one z monomerów w wyniku reakcji polimeryzacji. Wystarczy zmodyfikować budowę samych monomerów lub zmienić warunki reakcji, by otrzymać polimer o wymaganych właściwościach. Co ciekawe, tak jak tlenki metali polimery te można impregnować np. nanocząsteczkami złota, zmieniając ich specyfikę i zwiększając pulę rozwiązań przydatnych do konstrukcji nosów elektronicznych.

01.06.2019 Numer 6/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną