Nez électronique - Electronic nose

Un nez électronique était réglé sur l'axe perceptif de l'agrément olfactif, c'est-à-dire un axe allant de très agréable (par exemple, rose) à très désagréable (par exemple, mouffette). Cela a permis à l'eNose de sentir de nouveaux odorants qu'il n'avait jamais rencontrés auparavant, tout en générant des estimations de l'agrément des odeurs en très bon accord avec les évaluations humaines, quel que soit le contexte culturel du sujet. Cela suggère une composante innée de l'agrément olfactif qui est étroitement liée à la structure moléculaire

Un nez électronique est un dispositif de détection électronique destiné à détecter les odeurs ou les saveurs . L'expression « détection électronique » fait référence à la capacité de reproduire les sens humains à l'aide de réseaux de capteurs et de systèmes de reconnaissance de formes .

Depuis 1982, des recherches ont été menées pour développer des technologies, communément appelées nez électroniques, capables de détecter et de reconnaître les odeurs et les saveurs. Les étapes du processus de reconnaissance sont similaires à l' olfaction humaine et sont effectuées pour l'identification, la comparaison, la quantification et d'autres applications, y compris le stockage et la récupération de données . Certains de ces dispositifs sont utilisés à des fins industrielles.

Autres techniques pour analyser les odeurs

Dans toutes les industries, l'évaluation des odeurs est généralement effectuée par analyse sensorielle humaine, par chimiocapteurs ou par chromatographie en phase gazeuse . Cette dernière technique donne des informations sur les composés organiques volatils mais la corrélation entre les résultats analytiques et la perception moyenne des odeurs n'est pas directe en raison des interactions potentielles entre plusieurs composants odorants.

Dans le détecteur d'odeurs Wasp Hound , l'élément mécanique est une caméra vidéo et l'élément biologique est constitué de cinq guêpes parasites qui ont été conditionnées pour essaimer en réponse à la présence d'un produit chimique spécifique.

Histoire

Le scientifique Alexander Graham Bell a popularisé l'idée qu'il était difficile de mesurer une odeur et, en 1914, a déclaré ce qui suit :

Avez-vous déjà mesuré une odeur? Pouvez-vous dire si une odeur est juste deux fois plus forte qu'une autre ? Pouvez-vous mesurer la différence entre deux sortes d'odeurs et une autre ? Il est très évident que nous avons de très nombreuses sortes d'odeurs différentes, depuis l'odeur de violette et de rose jusqu'à l'asafetida. Mais jusqu'à ce que vous puissiez mesurer leur ressemblance et leurs différences, vous ne pouvez avoir aucune science de l'odeur. Si vous êtes ambitieux pour trouver une nouvelle science, mesurez une odeur.

—  Alexander Graham Bell, 1914

Au cours des décennies depuis que Bell a fait cette observation, aucune science de l'odeur ne s'est matérialisée, et ce n'est que dans les années 1950 et au-delà que de réels progrès ont été réalisés. Un problème courant pour la détection des odeurs est qu'elle n'implique pas la mesure de l'énergie, mais des particules physiques.

Principe de fonctionnement

Le nez électronique a été développé afin d'imiter l'olfaction humaine qui fonctionne comme un mécanisme non séparatif : c'est-à-dire qu'une odeur/saveur est perçue comme une empreinte globale. Essentiellement, l'instrument se compose d'un échantillonnage de l'espace de tête, d'un réseau de capteurs chimiques et de modules de reconnaissance de formes, pour générer des modèles de signaux utilisés pour caractériser les odeurs.

Les nez électroniques comprennent trois parties principales : un système de distribution d'échantillons, un système de détection, un système informatique.

Le système de distribution d'échantillons permet la génération de l'espace de tête (composés volatils) d'un échantillon, qui est la fraction analysée. Le système injecte ensuite cet espace libre dans le système de détection du nez électronique. Le système de distribution d'échantillons est essentiel pour garantir des conditions de fonctionnement constantes.

Le système de détection, qui se compose d'un ensemble de capteurs, est la partie « réactive » de l'instrument. Au contact de composés volatils, les capteurs réagissent, ce qui signifie qu'ils subissent un changement de propriétés électriques.

Dans la plupart des nez électroniques, chaque capteur est sensible à toutes les molécules volatiles mais chacun à sa manière. Cependant, dans les nez bioélectroniques, des protéines réceptrices qui répondent à des molécules olfactives spécifiques sont utilisées. La plupart des nez électroniques utilisent des réseaux de capteurs chimiques qui réagissent aux composés volatils au contact : l' adsorption de composés volatils sur la surface du capteur provoque une modification physique du capteur. Une réponse spécifique est enregistrée par l'interface électronique transformant le signal en une valeur numérique. Les données enregistrées sont ensuite calculées sur la base de modèles statistiques.

Les nez bioélectroniques utilisent des récepteurs olfactifs - des protéines clonées à partir d'organismes biologiques, par exemple des humains, qui se lient à des molécules olfactives spécifiques. Un groupe a développé un nez bio-électronique qui imite les systèmes de signalisation utilisés par le nez humain pour percevoir les odeurs à une très haute sensibilité : les concentrations femtomolaires.

Les capteurs les plus couramment utilisés pour les nez électroniques comprennent

  • dispositifs métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) - un transistor utilisé pour amplifier ou commuter des signaux électroniques. Cela fonctionne sur le principe que les molécules entrant dans la zone du capteur seront chargées positivement ou négativement, ce qui devrait avoir un effet direct sur le champ électrique à l'intérieur du MOSFET. Ainsi, l'introduction de chaque particule chargée supplémentaire affectera directement le transistor d'une manière unique, produisant un changement dans le signal MOSFET qui peut ensuite être interprété par des systèmes informatiques de reconnaissance de formes. Donc, essentiellement, chaque molécule détectable aura son propre signal unique à interpréter par un système informatique.
  • polymères conducteurs - polymères organiques qui conduisent l'électricité.
  • composites polymères - similaires dans l'utilisation aux polymères conducteurs mais formulés à partir de polymères non conducteurs avec l'ajout d'un matériau conducteur tel que le noir de carbone.
  • microbalance à cristal de quartz (QCM) - un moyen de mesurer la masse par unité de surface en mesurant le changement de fréquence d'un résonateur à cristal de quartz. Cela peut être stocké dans une base de données et utilisé pour référence future.
  • onde acoustique de surface (SAW) - une classe de systèmes microélectromécaniques (MEMS) qui reposent sur la modulation des ondes acoustiques de surface pour détecter un phénomène physique.
  • Les spectromètres de masse peuvent être miniaturisés pour former un dispositif d'analyse de gaz à usage général.

Certains appareils combinent plusieurs types de capteurs dans un seul appareil, par exemple les QCM à revêtement polymère. Les informations indépendantes conduisent à des appareils beaucoup plus sensibles et efficaces. Des études sur le flux d'air autour du nez canin et des tests sur des modèles grandeur nature ont indiqué qu'une « action de reniflement » cyclique similaire à celle d'un vrai chien est bénéfique en termes d'amélioration de la portée et de la vitesse de réponse.

Ces dernières années, d'autres types de nez électroniques ont été développés qui utilisent la spectrométrie de masse ou la chromatographie en phase gazeuse ultra-rapide comme système de détection.

Le système informatique travaille pour combiner les réponses de tous les capteurs, ce qui représente l'entrée pour le traitement des données. Cette partie de l'instrument effectue une analyse globale des empreintes digitales et fournit des résultats et des représentations facilement interprétables. De plus, les résultats du nez électronique peuvent être corrélés à ceux obtenus à partir d'autres techniques (panneau sensoriel, GC , GC/MS ). De nombreux systèmes d'interprétation des données sont utilisés pour l'analyse des résultats. Ces systèmes comprennent un réseau de neurones artificiels (ANN), une logique floue , des modules de reconnaissance de formes, etc. L'intelligence artificielle, y compris un réseau de neurones artificiels (ANN), est une technique clé pour la gestion des odeurs environnementales.

Effectuer une analyse

Dans un premier temps, un nez électronique doit être formé avec des échantillons qualifiés afin de constituer une base de données de référence. L'instrument peut alors reconnaître de nouveaux échantillons en comparant l'empreinte d'un composé volatil à celles contenues dans sa base de données. Ainsi, ils peuvent effectuer des analyses qualitatives ou quantitatives. Cependant, cela peut également poser un problème car de nombreuses odeurs sont composées de plusieurs molécules différentes, ce qui peut être mal interprété par l'appareil car il les enregistrera comme des composés différents, ce qui entraînera des résultats incorrects ou inexacts selon la fonction principale d'un nez. L'exemple du jeu de données e-nose est également disponible. Ce jeu de données peut être utilisé comme référence pour le traitement du signal du nez électronique, notamment pour les études de qualité de la viande. Les deux principaux objectifs de cet ensemble de données sont la classification multiclasse du bœuf et la prédiction de la population microbienne par régression.

Applications

Le nez électronique développé au département de chimie analytique (faculté de chimie de l' université de technologie de Gdańsk ) permet une classification rapide des échantillons alimentaires ou environnementaux

Les instruments de nez électroniques sont utilisés par les laboratoires de recherche et développement, les laboratoires de contrôle qualité et les services de processus et de production à diverses fins :

Dans les laboratoires de contrôle qualité

  • Conformité des matières premières, produits intermédiaires et finaux
  • Consistance lot à lot
  • Détection de contamination, détérioration, adultération
  • Sélection de l'origine ou du fournisseur
  • Surveillance des conditions de stockage
  • Suivi de la qualité de la viande.

Dans les départements process et production

  • Gérer la variabilité des matières premières
  • Comparaison avec un produit de référence
  • Mesure et comparaison des effets du processus de fabrication sur les produits
  • Efficacité du processus de nettoyage en place de suivi
  • Surveillance de la mise à l'échelle
  • Surveillance du nettoyage en place.

Dans les phases de développement de produits

  • Profilage sensoriel et comparaison de diverses formulations ou recettes
  • Benchmarking des produits concurrents
  • Évaluation de l'impact d'un changement de procédé ou d'ingrédient sur les caractéristiques sensorielles.

Applications possibles et futures dans les domaines de la santé et de la sécurité

  • La détection de bactéries dangereuses et nocives, comme un logiciel spécialement développé pour reconnaître l'odeur du SARM ( Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline ). Il est également capable de reconnaître S. aureus sensible à la méthicilline (MSSA) parmi de nombreuses autres substances. Il a été émis l'hypothèse que s'il était soigneusement placé dans les systèmes de ventilation des hôpitaux, il pourrait détecter et donc empêcher la contamination d'autres patients ou équipements par de nombreux agents pathogènes hautement contagieux.
  • La détection du cancer du poumon ou d'autres conditions médicales en détectant les COV ( composés organiques volatils ) qui indiquent la condition médicale.
  • La détection des infections virales et bactériennes dans les exacerbations de BPCO .
  • Le contrôle de la qualité des produits alimentaires car il pourrait être commodément placé dans les emballages alimentaires pour indiquer clairement quand les aliments ont commencé à pourrir ou utilisés sur le terrain pour détecter une contamination bactérienne ou par des insectes.
  • Les implants nasaux pourraient avertir de la présence de gaz naturel, pour ceux qui avaient une anosmie ou un odorat faible.
  • La Brain Mapping Foundation a utilisé le nez électronique pour détecter les cellules cancéreuses du cerveau.

Applications possibles et futures dans le domaine de la prévention de la criminalité et de la sécurité

  • La capacité du nez électronique à détecter les odeurs inodores le rend idéal pour une utilisation dans les forces de police, comme la capacité de détecter les odeurs de bombe malgré d'autres odeurs aériennes capables de dérouter les chiens policiers. Cependant, cela est peu probable à court terme car le coût du nez électronique est assez élevé.
  • Il peut également être utilisé comme méthode de détection de drogue dans les aéroports. En plaçant soigneusement plusieurs nez électroniques ou plus et des systèmes informatiques efficaces, on pourrait trianguler l'emplacement des drogues à quelques mètres de leur emplacement en moins de quelques secondes.
  • Des systèmes de démonstration qui détectent les vapeurs dégagées par les explosifs existent, mais sont actuellement loin derrière un chien renifleur bien entraîné.

En surveillance environnementale

  • Pour l'identification des composés organiques volatils dans les échantillons d'air, d'eau et de sol.
  • Pour la protection de l'environnement.

Diverses notes d'application décrivent l'analyse dans des domaines tels que les arômes et les parfums, les aliments et les boissons, les emballages, les produits pharmaceutiques, les cosmétiques et les parfums, et les entreprises chimiques. Plus récemment, ils peuvent également répondre aux préoccupations du public en termes de surveillance des nuisances olfactives avec des réseaux d'appareils de terrain. Comme les taux d'émission sur un site peuvent être extrêmement variables pour certaines sources, le nez électronique peut fournir un outil pour suivre les fluctuations et les tendances et évaluer la situation en temps réel. Il améliore la compréhension des sources critiques, conduisant à une gestion proactive des odeurs. La modélisation en temps réel présentera la situation actuelle, permettant à l'opérateur de comprendre quelles périodes et conditions mettent l'installation en danger. En outre, les systèmes commerciaux existants peuvent être programmés pour avoir des alertes actives basées sur des points de consigne (concentration d'odeurs modélisée au niveau des récepteurs/points d'alerte ou concentration d'odeurs au niveau d'un nez/d'une source) pour lancer les actions appropriées.

Voir également

Les références

Liens externes