Wie funktioniert eine elektronische Nase?

Einführung:

Die elektronische Nase ist ein Gerät, das das erkenntriechen Sie effektiver als der menschliche Geruchssinn. Eine elektronische Nase besteht aus einem Mechanismus zur chemischen Erkennung. Die elektronische Nase ist eine intelligente Erfassungsvorrichtung, die eine Anordnung von Gassensoren verwendet, die sich zusammen mit einer Strukturreorganisationskomponente selektiv überlappen. Heute haben die elektronischen Nasen einer ganzen Reihe von Branchen wie Handel, Landwirtschaft, Biomedizin, Kosmetik, Umwelt, Lebensmittel, Wasser und verschiedenen wissenschaftlichen Forschungsbereichen einen externen Nutzen gebracht. Die elektronische Nase erkennt das gefährliche oder giftige Gas, das für menschliche Schnüffler nicht möglich ist.

Elektronische Nase

Die Gerüche setzen sich aus Molekülen zusammen, die a habenspezifische Größe und Form. Jedes dieser Moleküle hat einen entsprechend großen und geformten Rezeptor in der menschlichen Nase. Wenn ein bestimmter Rezeptor ein Molekül empfängt, sendet er ein Signal an das Gehirn und das Gehirn identifiziert den Geruch, der mit dem jeweiligen Molekül verbunden ist. Die elektronischen Nasen arbeiten auf ähnliche Weise menschlich. Die elektronische Nase verwendet Sensoren als Empfänger. Wenn ein bestimmter Sensor die Moleküle empfängt, sendet er das Signal zur Verarbeitung an ein Programm und nicht an das Gehirn.

Funktionsprinzip der elektronischen Nase:

Die elektronische Nase wurde dazu entwickeltimitieren eine menschliche Riechwirkung, deren Funktionen ein nicht separater Mechanismus sind, d. h. der Geruch oder Geschmack wird als globaler Fingerabdruck wahrgenommen. Das Instrument besteht im Wesentlichen aus einem Sensorarray, Mustereorganisationsmodulen und Headspace-Sampling, um Signalmuster zu erzeugen, die zur Charakterisierung von Gerüchen verwendet werden. Die elektronische Nase besteht aus drei Hauptteilen: Erkennungssystem, Rechnersystem und Probenabgabesystem.

Elektronisches Nasenblockdiagramm

Das Musterlieferungssystem: Das Musterliefersystem ermöglicht die Generierungdes Kopfraums der Probe oder der flüchtigen Verbindungen, der eine analysierte Fraktion ist. Das System sendet diesen Kopfraum dann in das Erkennungssystem der elektronischen Nase.

Das Erkennungssystem: Das Erkennungssystem, das aus einer Gruppe von bestehtSensoren sind der reaktive Teil des Instruments. Bei Kontakt mit flüchtigen Verbindungen reagieren die Sensoren zu diesem Zeitpunkt und verändern die elektrischen Eigenschaften.

Das Computersystem: In den meisten elektronischen Nasen ist jeder Sensor empfindlichzu allen Molekülen auf ihre spezifische Weise. In bioelektrischen Nasen werden jedoch Rezeptorproteine ​​verwendet, die auf spezifische Geruchsmoleküle ansprechen. Die meisten elektronischen Nasen verwenden Sensorarrays, die auf flüchtige Verbindungen reagieren. Wenn die Sensoren Gerüche wahrnehmen, wird eine bestimmte Reaktion aufgezeichnet, und das Signal wird in den digitalen Wert übertragen.

Die am häufigsten verwendeten Sensoren in der elektronischen Nase

Metalloxidhalbleiter (MOSFET)

Polymere leiten

Quarzkristall-Mikrowaage

Piezoelektrische Sensoren

Metalloxid-Sensoren

Metalloxid-Halbleitersensor:

Dies dient zum Schalten oder Verstärkenelektronische Signale. Das Arbeitsprinzip des MOSFET besteht darin, dass Moleküle, die in den Sensorbereich eintreten, positiv oder negativ geladen werden, was sich direkt auf das elektrische Feld im MOSFET auswirkt.

Metalloxid-Sensoren: (MOS)

Dieser Sensor basiert auf der Adsorption von Gasmolekülen, um eine Änderung der Leitfähigkeit zu bewirken. Diese Änderung der Leitfähigkeit ist das Maß für die Menge der adsorbierten flüchtigen organischen Verbindungen.

Piezoelektrische Sensoren:

Die Adsorption von Gas auf der Oberfläche des Polymers führt zu Massenänderungen auf der Sensoroberfläche. Dies bewirkt wiederum eine Änderung der Resonanzfrequenz des Kristalls.

Quarzkristall-Mikrowaage:

Dies ist ein Weg zum Messen der Masse pro Flächeneinheit durch Messen der Frequenzänderung des Kristallresonators. Dies kann in einer Datenbank gespeichert werden.

Leitfähige Polymere:

Leitfähige Polymergassensoren arbeiten auf der Grundlage geänderter elektrischer Widerstände, die durch Adsorption von Gasen auf der Sensoroberfläche verursacht werden.

Datenanalyse für elektronische Nase:

Die von elektronischen Nasensensoren erzeugte digitale Ausgabe muss analysiert und interpretiert werden, um sie bereitzustellen. Es gibt drei Haupttypen kommerziell erhältlicher Techniken.

  • Grafische Analyse
  • Multivariate Datenanalyse
  • Netzwerkanalyse
Datenanalyse für elektronische Nase

Die Wahl der Methode hängt von den verfügbaren Eingangsdaten der Sensoren ab.

Die einfachste Form einer Datenreduktion ist agrafische Analyse, die zum Vergleich von Proben oder zum Vergleich von Geruchsidentifikationselementen unbekannter Analytiker im Vergleich zu denen bekannter Quellen in Referenzbibliotheken nützlich ist.

Die multivariate Datenanalyse generiert eine Menge vonTechniken zur Analyse von Daten, die trainiert oder nicht trainiert sind. Die ungeübten Techniken werden verwendet, wenn zuvor keine Datenbank mit bekannten Stichproben erstellt wurde. Die einfachste und am weitesten verbreitete untrainierte MDA-Technik ist eine Hauptkomponentenanalyse. Die elektronische Nasendatenanalyse (MDA) ist sehr nützlich, wenn Sensoren eine teilweise Überdeckungsempfindlichkeit gegenüber einzelnen in einem Probenmischer vorhandenen Verbindungen aufweisen. Die PCA ist am nützlichsten, wenn keine bekannte Probe verfügbar ist.

Das neuronale Netzwerk ist das bekannteste und am meisten abgeleitete Analyseverfahren, das in statistischen Softwarepaketen für kommerziell erhältliche elektronische Nase verwendet wird.

Zum Beispiel elektronisches Nasensystem für die Obstgeruchssuche:

Elektronisches Nasensystem

Das vorgeschlagene elektronische Nasensystem wurde getestetmit den Gerüchen von drei Früchten, nämlich Leman, Banane, Litschi. Die Gerüche wurden hergestellt, indem eine Probe Obst in die mit einem Deckel versiegelten Brecher gegeben wurde. Der 8051 wurde in den Test- oder Trainingsmodus versetzt. Wenn sich das System im Trainingsmodus befindet, wird der Sensorwert auf dem LCD angezeigt. Wenn sich das System im Testmodus befindet, wird das Klassifizierungsergebnis der Zielfrucht auf dem LCD angezeigt. Das Sensorarray erhält das Gas durch Ventil1, das normalerweise geschlossen ist. Die Vakuumpumpe wird 20 Sekunden lang eingeschaltet, um das Gas aus der Sensoranordnung zu pumpen.

Gastesteinrichtung für das vorgeschlagene E-Nose-System

Der Wert 1 wurde geschlossen und der Sensorwiderstandwurde 60 Sekunden gegeben, um einen Studienstatusmodus zu erreichen. Das Ergebnis der Klassifizierung der Sensoren wurde auf dem LCD angezeigt. Die Sensorfeldkammer wurde vom Fruchtprobenbrecher getrennt und das Ventil 1 wurde geöffnet, um Frischluft zu erzeugen, das Ventil 2 wurde geöffnet, so dass die Gerüche abgepumpt wurden. Die Kammer wurde zwei Minuten lang mit frischer Luft belüftet.

Anwendung der elektronischen Nase:

  • Medizinische Diagnostik und Gesundheitsüberwachung
  • Umweltüberwachung
  • Anwendung in der Lebensmittelindustrie
  • Detektion von Sprengstoff
  • Raumfahrtanwendungen (NASA)
  • Forschungs- und Entwicklungsbranchen
  • Qualitätskontrolllabors
  • Die Prozess- und Produktionsabteilung
  • Erkennung von Drogengerüchen
  • Nachweis schädlicher Bakterien

Ich hoffe, Sie haben jetzt eine Vorstellung davon, wie die elektronische Nase funktioniert. Wenn Sie Fragen zu diesem Konzept oder zu elektrischen und elektronischen Projekten haben, verlassen Sie bitte den folgenden Abschnitt.

Foto-Gutschrift:

  • Elektronische Nase von sciencedialy
  • Elektronisches Nasenblockdiagramm von origin-ars.els-cdn
  • Elektronisches Nasensystem von mdpi

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