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傳感器和材料的結(jié)合模擬了人工嗅覺。圖片來源：Amadeus Bramsiepe，KIT

在自然界中，植物散發(fā)出的氣味會(huì)吸引昆蟲等動(dòng)物。然而，香精也用于工業(yè)，例如香水和香精的生產(chǎn)。特別是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)薄荷氣味的可靠、快速和客觀的區(qū)分，KIT（卡爾斯魯厄理工學(xué)院）的研究人員開始跨學(xué)科合作，開發(fā)出一種具有人工嗅覺的電子鼻。這種 E-nose 在識(shí)別不同薄荷種類方面實(shí)現(xiàn)了高精度，這使其成為適用于從藥物質(zhì)量控制到薄荷油作為環(huán)保生物除草劑的監(jiān)測(cè)等應(yīng)用的合適工具。

“到目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)能夠識(shí)別出大約 100,000 種不同的生物化合物，相鄰植物通過這些化合物相互作用或控制其他生物，例如昆蟲，”KIT 植物研究所的彼得尼克教授說。“這些化合物在同屬植物中非常相似。” 植物界的一個(gè)經(jīng)典例子是薄荷，不同品種的薄荷具有非常特定的物種氣味。科學(xué)家解釋說，薄荷油的工業(yè)質(zhì)量控制尤其受到嚴(yán)格的法律法規(guī)的約束，以防止摻假，這既耗時(shí)又需要大量的專業(yè)知識(shí)。配備由復(fù)合材料制成的傳感器的新型“電子鼻”將支持這一過程。植物研究所的研究人員，

基于生物模型的電子鼻

在電子鼻的研發(fā)過程中，整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)盡可能以生物模型為指導(dǎo)：人類通過電脈沖向大腦傳遞信息的嗅覺細(xì)胞被十二個(gè)特殊的QCM（石英晶體微量天平）傳感器。這些傳感器由兩個(gè)裝有石英晶體的電極組成。其中，此類組件也可以在手機(jī)中找到，因?yàn)樗鼈円缘统杀颈ＷC了高度準(zhǔn)確的手機(jī)頻率。“薄荷氣味沉積在傳感器的表面。這會(huì)改變它們的共振頻率，我們對(duì)各自的氣味產(chǎn)生反應(yīng)，”來自 IFG 的 Christof W?ll 教授解釋說。氣味由有機(jī)分子組成在不同的組成中。為了使新傳感器能夠吸收這些分子，IFG 研究人員使用了十二種特定的傳感器材料，包括 IFG 開發(fā)的金屬有機(jī)框架 (MOF)。“這些材料具有高度多孔性，特別適合傳感器應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兛梢韵窈＞d一樣吸收許多分子，”沃爾說。“通過將傳感器與不同的材料相結(jié)合，我們創(chuàng)建了可能被稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的東西。”

使用機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練六種薄荷種類的電子鼻

科學(xué)家們用六種不同的薄荷品種——包括經(jīng)典薄荷、馬薄荷和貓薄荷——測(cè)試了電子鼻。“我們使用不同的機(jī)器學(xué)習(xí)方法來訓(xùn)練傳感器，以便它們可以從收集到的數(shù)據(jù)中創(chuàng)建相應(yīng)氣味的指紋，從而區(qū)分氣味，”W?ll 說。在每個(gè)氣味樣本之后，E-nose 用二氧化碳 (CO 2 )沖洗大約半小時(shí)，以使傳感器再生。

跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)獲得的結(jié)果表明，帶有 QCM 傳感器的電子鼻可以為特定物種分配具有高度特異性的薄荷氣味。此外，科學(xué)家進(jìn)一步指出，它是一種用戶友好、可靠且具有成本效益的替代傳統(tǒng)方法（如質(zhì)譜法）的方法。進(jìn)一步的開發(fā)將集中在能夠更快地再生以再次吸收氣味的傳感器。IFG 研究人員將繼續(xù)專注于 MOF 材料，以便將它們用于其他應(yīng)用，例如用于醫(yī)學(xué)診斷的人工嗅覺感知。