I naturen, dofter som avges av växter lockar till sig djur som insekter. Dock, dofter används också i industrin, till exempel vid tillverkning av parfymer och aromer. För att uppnå en tillförlitlig, snabbt, och objektiv diskriminering av mintdofter i synnerhet, forskare vid KIT (Karlsruhe Institute of Technology) inledde ett tvärvetenskapligt samarbete och utvecklade en elektronisk näsa med ett konstgjort luktsinne. Denna E-näsa uppnår hög precision när det gäller att känna igen olika myntarter, vilket gör det till ett lämpligt verktyg för tillämpningar som sträcker sig från farmaceutisk kvalitetskontroll till övervakning av myntolja som en miljövänlig bioherbicid.

"Än så länge, forskare kunde identifiera uppskattningsvis 100, 000 olika biologiska föreningar genom vilka närliggande växter interagerar med varandra eller kontrollerar andra organismer, som insekter, " säger professor Peter Nick från Botanical Institute of KIT. "Dessa föreningar är väldigt lika i växter av samma släkte." Ett klassiskt exempel från växtvärlden är mynta, där de olika sorterna producerar med mycket artspecifika dofter. Industriell kvalitetskontroll av myntolja, särskilt, är föremål för strikta lagbestämmelser för att förhindra förfalskning, är tidskrävande, och kräver en hel del expertis, förklarar vetenskapsmannen. En ny "elektronisk näsa" utrustad med sensorer gjorda av kombinerade material kommer att stödja denna process. Forskare från Botaniska institutet, Institutet för funktionella gränssnitt (IFG), Institutet för mikrostrukturteknik (IMT), och Light Technology Institute (LTI) vid KIT utvecklade och testade tillsammans dessa sensorer med sex olika myntarter.

Elektronisk näsa baserad på en biologisk modell

I utvecklingen av E-nosen, hela forskargruppen har vägletts så långt som möjligt av den biologiska modellen:luktcellerna, som hos människor överför information till hjärnan via elektriska pulser, ersätts av tolv speciella QCM (Quartz Crystal Microbalance) sensorer. Dessa sensorer består av två elektroder utrustade med en kvartskristall. Bland andra, sådana komponenter finns också i mobiltelefoner, eftersom de garanterar mycket exakta mobiltelefonfrekvenser till låg kostnad. "Mintdofterna avsätts på sensorernas yta. Detta ändrar deras resonansfrekvens och vi får en reaktion på respektive doft, " förklarar professor Christof Wöll från IFG. Dofter består av organiska molekyler i olika sammansättningar. För att de nya sensorerna ska kunna absorbera dessa molekyler, IFG-forskarna använde tolv specifika sensormaterial, inklusive metall-organiska ramverk (MOF) som utvecklats vid IFG. "Dessa material är mycket porösa och särskilt väl lämpade för sensortillämpningar eftersom de kan absorbera många molekyler som en svamp, ", säger Wöll. "Genom att kombinera sensorerna med de olika materialen, vi skapar vad som kan kallas ett neuralt nätverk."

Använder maskininlärning för att träna E-näsan med sex myntarter

Forskarna testade den elektroniska näsan med sex olika myntarter – inklusive klassisk pepparmynta, hästmint och kattmynta. "Vi använder olika maskininlärningsmetoder för att träna sensorerna så att de kan skapa fingeravtrycket för respektive doft från insamlad data och på så sätt särskilja dofterna, " säger Wöll. Efter varje doftprov, E-näsan spolas med koldioxid (CO ₂ ) i ungefär en halvtimme så att sensorerna kan regenereras.

Resultaten från det tvärvetenskapliga forskarteamet har visat att den elektroniska näsan med sina QCM-sensorer kan tilldela mintdofter med hög specificitet till en viss art. Dessutom, det är en användarvänlig, pålitlig, och kostnadseffektivt alternativ till konventionella metoder som masspektrometri, forskaren säger vidare. Den fortsatta utvecklingen kommer att fokusera på sensorer som regenereras snabbare för att fånga upp dofter igen. IFG-forskarna kommer att fortsätta att koncentrera sig på MOF-material för att anpassa dem för andra tillämpningar, såsom artificiell luktuppfattning för medicinsk diagnostik.