Elektroniczny nos walczy z odorami

"Nie ma wiarygodnej i obiektywnej metody oceny jakości zapachowej powietrza. W przypadku istnienia źródeł odorów prowadzi to do wielu spornych sytuacji. Jeśli na jakimś terenie działa przedsiębiorstwo przemysłu rolno-spożywczego, które nie do końca ma zhermetyzowany proces produkcyjny, jest to uciążliwe dla otoczenia, ze względu na zapachy, jakie się stamtąd wydzielają - opowiada prof. Henryk Sobczuk. - Właśnie dlatego rozpoczęliśmy prace nad metodą obiektywnego pomiaru związków chemicznych zawartych w powietrzu".

Elektroniczny nos - tłumaczy naukowiec - jest wyposażony w trzy systemy: system pobierania próbek zapachowych, system detekcji gazów i oparów oraz system rozpoznawania wzorców i profili zapachowych. Jest to więc matryca chemicznych czujników gazów, które są połączone z systemem komputerowym pozwalającym na rozpoznawanie zapachów.

Prace nad tym urządzeniem to jeden z elementów projektu badawczego "Nowe metody i technologie dezoryzacji w produkcji przemysłowej, rolnej i gospodarce komunalnej". Dotyczy on pomiaru i identyfikacji głównych związków zapachowych w powietrzu i sposobów walki z nimi. Projekt zmówiony przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego realizuje kilkanaście ośrodków naukowych w Polsce. Kierownikiem projektu jest prof. Jerzy Zwoździak z Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej.

Uczestnicy projektu chcą znaleźć nowe rozwiązania technologiczne i techniczne - wykorzystując osiągnięcia z dziedziny analityki chemicznej, chemii procesowej i biochemii - które przyczyniłyby się do ograniczenia uciążliwości odorów.

Substancje te można podzielić na trzy grupy: związki siarczkowe - np. siarkowodór i merkaptany; związki azotowe - amoniak czy aminy oraz związki zawierające węgiel - m.in. aldehydy, ketony czy związki aromatyczne.

Prace poprzedzające tworzenie sztucznego nosa dotyczyły analizy odorów w przedsiębiorstwach związanych z rolnictwem czy przetwórstwem. Próbki powietrza naukowcy pobierali do specjalnych worków, a następnie określali ilość jednostek zapachowych w tym powietrzu.

"Liczbę jednostek zapachowych określa się za pomocą olfaktometrii dynamicznej. Badanie polega na rozcieńczaniu zanieczyszczonego powietrza czystym powietrzem, do takiego stopnia, że połowa testerów - ludzi wyszkolonych do wąchania, odczuwa zapach, a połowa już nie. Wtedy mówimy, że rozcieńczone powietrze ma stężenie jednej jednostki zapachowej, a ze stopnia rozcieńczenia powietrza możemy obliczyć, ile jednostek zapachowych znajduje się w próbce zanieczyszczonego powietrza" - wyjaśnia prof. Sobczuk.

Takie badania określają, jak intensywny jest zapach, ale trzeba jeszcze ustalić dokładnie, z czego składa się mieszanina.

Analiza procentowa składu chemicznego mieszaniny powierza wykonywana jest za pomocą chromatografii gazowej. W chromatografie rozdziela się mieszaninę na poszczególne składniki, a następnie określa nazwę związków chemicznych, które tworzą mieszaninę i ich udział procentowy. Badania można wykonywać zarówno na miejscu - za pomocą przenośnego chromatografu, jak i w laboratorium.

"Ta metoda pokazuje, jakie to są związki, ale nie mówi, czym to pachnie. To raczej metoda chemiczna, podczas gdy elektroniczny nos, który jest wyposażony zwykle w kilka lub kilkanaście czujników, wyczulonych na różne składniki zapachowe, daje nam kilkanaście sygnałów, które można zanalizować za pomocą metod sztucznej inteligencji czy sieci neuronowych, tak by można sklasyfikować te zapachy" - opowiada naukowiec.

Zaznacza, że "do osiągnięcia właściwych efektów trzeba jednak nauczyć program - sieć neuronową rozpoznawania tych zapachów na przykładach konkretnych zapachów czy związków chemicznych".

Jak wyjaśnia prof. Sobczuk, elektroniczny nos nie mówi, jaki to zapach, a jedynie do jakiej klasy zapachów należy. "Jeżeli program interpretujący sygnały z tych czujników, zostanie konkretnie wyuczony np. zapachu wina czy whisky, to w przypadku badania sfałszowanej whisky, takie urządzenie potrafi powiedzieć, że ten zapach nie jest właściwy dla tej klasy. W efekcie taka klasyfikacja pozwala w pewnym stopniu na odróżnienie zapachów" - opowiada naukowiec.

Naukowcy opracowali do tej pory trzy przyrządy nazywane elektronicznymi nosami.

Jeden z nich działa w laboratorium Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej, w pracowni prof. Kazimierza Brudzewskiego, z którym współpracuje zespół prof. Sobczuka. To przenośne urządzenie, które wykorzystuje do rozpoznawania zapachów czujniki tlenkowe - b. podobne do tych stosowanych w alkoholomierzach czy detektorach gazu.

"Korzystając z tego typu czujników, można stosować odpowiednie czujniki dla konkretnego składu chemicznego odorów. Elektroniczny nos wyposażony w te czujniki może być stosowany wykrywania danego rodzaju odoru. Zdajemy sobie jednak sprawę, że jest wiele rodzajów związków zapachowych i nie jest możliwe zastosowanie pojedynczego czujnika dla pojedynczego zapachu. Urządzenie wykorzystywane na Politechnice Warszawskiej ma kilkanaście czujników, a każdy +wyczuwa+ w nieco innym zakresie te związki" - mówi prof. Sobczuk.

Drugie urządzenie, skonstruowanie przez lubelskich naukowców, działa na podobnej zasadzie, ale jest przystosowane do działań laboratoryjnych. "Chcemy znaleźć pomost między poszczególnymi związkami chemicznymi a zapachami. Sprzęgamy więc nasz elektroniczy nos z urządzeniem chromatograficznym. Chromatograf gazowy z początkowej mieszaniny zapachowej - którą wpuszcza się do kolumny chromatograficznej - wydziela w różnym czasie poszczególne związki chemiczne. Porównujemy więc sygnał uzyskiwany z czujnika chromatografu z sygnałem z elektronicznego nosa i dopasowujemy je do siebie" - wyjaśnia.

Trzecie urządzenie jest w końcowym stadium wykonania. Wykorzystuje ono czujniki tzw. mikrowagi kwarcowej.

"Mikrowaga to płytka kwarcowa, którą zmusza się do drgań z częstotliwością rezonansową zbliżoną do 6 MHz - tłumaczy naukowiec. - Jeśli jest poddana wpływom zanieczyszczonego gazu, to następuje sorpcja (pochłanianie) na powierzchni takiej płytki związków, które znajdują się w tym gazie. Zaadsorbowanie pewnej masy na powierzchni płytki, powoduje zmianę częstotliwości drgań takiej płytki. W efekcie, ze względu na bardzo dużą stabilność drgań płytki kwarcowej, uzyskujemy bardzo czułe urządzenie do identyfikacji zaadsorbowanych substancji".

Każda z takich mikrowag będzie uczulona - za pomocą naniesionej warstwy - na inne związki chemiczne. W ten sposób naukowcy będą mogli uzyskiwać sygnał dotyczący różnych związków chemicznych z mieszaniny zapachowej.

Badacze mają nadzieję, że prace dotyczące trzeciego urządzenia wkrótce się zakończą, a urządzenie znajdzie zastosowanie w przemyśle. Zachętą ma być relatywnie niska cena, łatwość obsługi i możliwość pracy w trybie on-line.

Choć naukowcy z Zakładu Techniki Cieplnej Wydziału Inżynierii Środowiska PL mają sukcesy w pracy nad elektronicznym nosem, to jednak - jak zaznacza prof. Sobczuk - wciąż są w połowie drogi do osiągnięcia ostatecznych efektów.(PAP)