การแนะนำ

จมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic nose) คืออุปกรณ์ที่ตรวจจับกลิ่นได้มีประสิทธิภาพมากกว่าประสาทสัมผัสการดมกลิ่นของมนุษย์ จมูกอิเล็กทรอนิกส์ประกอบด้วยกลไกสำหรับการตรวจจับทางเคมี จมูกอิเล็กทรอนิกส์เป็นอุปกรณ์ตรวจรู้悦ัจฉริยะที่ใช้ชุดเซนเซอร์ก๊าซซึ่งมีการทับซ้อนกันอย่างเลือกสรรพร้อมกับส่วนประกอบการจดจำรูปแบบ ในปัจจุบันจมูกอิเล็กทรอนิกส์ได้มอบคุณประโยชน์ภายนอกให้กับอุตสาหกรรมการค้าที่หลากหลาย ทั้งเกษตรกรรม ชีวการแพทย์ เครื่องสำอาง สิ่งแวดล้อม อาหาร น้ำ และสาขาการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ จมูกอิเล็กทรอนิกส์ตรวจจับก๊าซที่เป็นอันตรายหรือมีพิษซึ่งเป็นไปไม่ได้สำหรับผู้ดมกลิ่นที่เป็นมนุษย์

กลิ่นประกอบด้วยโมเลกุล ซึ่งมีขนาดและรูปร่างเฉพาะตัว แต่ละโมเลกุลเหล่านี้จะมีตัวรับที่มีขนาดและรูปร่างสอดคล้องกันในจมูกของมนุษย์ เมื่อตัวรับเฉพาะได้รับโมเลกุล มันจะส่งสัญญาณไปยังสมองและสมองจะระบุกลิ่นที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลนั้นๆ จมูกอิเล็กทรอนิกส์ทำงานในลักษณะที่คล้ายคลึงกับมนุษย์ โดยจมูกอิเล็กทรอนิกส์ใช้เซนเซอร์เป็นตัวรับ เมื่อเซนเซอร์เฉพาะได้รับโมเลกุล มันจะส่งสัญญาณไปยังโปรแกรมเพื่อประมวลผล แทนที่จะส่งไปยังสมอง

หลักการทำงานของจมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Nose Working Principle):

จมูกอิเล็กทรอนิกส์ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อเลียนแบบการดมกลิ่นของมนุษย์ ซึ่งมีการทำงานที่เป็นกลไกแบบไม่แยกส่วน กล่าวคือ กลิ่นหรือรสชาติจะถูกรับรู้ในฐานะลายนิ้วมือรวม โดยพื้นฐานแล้วเครื่องมือนี้ประกอบด้วยชุดเซนเซอร์ (sensor array), โมดูลการจดจำรูปแบบ และการสุ่มตัวอย่างส่วนเหนือของตัวอย่าง (headspace sampling) เพื่อสร้างรูปแบบสัญญาณที่ใช้สำหรับระบุลักษณะของกลิ่น จมูกอิเล็กทรอนิกส์ประกอบด้วยสามส่วนหลัก ได้แก่ ระบบตรวจจับ, ระบบคำนวณ และระบบนำส่งตัวอย่าง

ระบบนำส่งตัวอย่าง (The sample delivery system): ระบบนำส่งตัวอย่างช่วยให้เกิดการสร้างส่วนเหนือของตัวอย่าง (headspace) หรือสารประกอบระเหยง่ายซึ่งเป็นส่วนที่ถูกนำมาวิเคราะห์ จากนั้นระบบจะส่งส่วนเหนือของตัวอย่างนี้เข้าสู่ระบบตรวจจับของจมูกอิเล็กทรอนิกส์

ระบบตรวจจับ (The detection system): ระบบตรวจจับซึ่งประกอบด้วยกลุ่มของเซนเซอร์คือส่วนที่ทำปฏิกิริยาของเครื่องมือ เมื่อสัมผัสกับสารประกอบระเหยง่าย ในเวลานั้นเซนเซอร์จะทำปฏิกิริยาทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในลักษณะทางไฟฟ้า

ระบบคำนวณ (The Computing system): ในจมูกอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ เซนเซอร์แต่ละตัวจะไวต่อโมเลกุลทั้งหมดในทางเฉพาะของตนเอง อย่างไรก็ตาม ในจมูกอิเล็กทรอนิกส์แบบชีวภาพ (bioelectric noses) จะมีการใช้โปรตีนตัวรับที่ตอบสนองต่อโมเลกุลกลิ่นเฉพาะอย่าง จมูกอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ใช้ชุดเซนเซอร์ที่ทำปฏิกิริยากับสารประกอบระเหยง่าย เมื่อใดก็ตามที่เซนเซอร์ตรวจพบกลิ่น การตอบสนองเฉพาะจะถูกบันทึกไว้และสัญญาณนั้นจะถูกส่งเป็นค่าดิจิทัล

เซนเซอร์ที่ใช้กันทั่วไปในจมูกอิเล็กทรอนิกส์:

• ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET)
• พอลิเมอร์นำไฟฟ้า (Conducting polymers)
• เครื่องชั่งผลึกควอตซ์ (Quartz crystal microbalance)
• เซนเซอร์เพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric sensors)
• เซนเซอร์โลหะออกไซด์ (Metal Oxide sensors)

เซนเซอร์ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (Metal Oxide semiconductor sensor):

ใช้สำหรับการสลับหรือขยายสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ หลักการทำงานของ MOSFET คือโมเลกุลที่เข้าสู่บริเวณเซนเซอร์จะถูกชาร์จประจุเป็นบวกหรือลบ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อสนามไฟฟ้าภายใน MOSFET

เซนเซอร์โลหะออกไซด์ (Metal Oxide sensors: MOS):

เซนเซอร์นี้อาศัยการดูดซับของโมเลกุลก๊าซเพื่อกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความสามารถในการนำไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงความนำไฟฟ้านี้คือมาตรวัดปริมาณของสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่ายที่ถูกดูดซับ

เซนเซอร์เพียโซอิเล็กทริก (Piezoelectric sensors):

การดูดซับก๊าซลงบนพื้นผิวของพอลิเมอร์นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงมวลบนพื้นผิวเซนเซอร์ ซึ่งจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความถี่เรโซแนนซ์ของผลึก

เครื่องชั่งผลึกควอตซ์ (Quartz crystal microbalance):

นี่คือวิธีการวัดมวลต่อหน่วยพื้นที่โดยการวัดการเปลี่ยนแปลงความถี่ของตัวกำเนิดความถี่ผลึก ข้อมูลนี้สามารถจัดเก็บไว้ในฐานข้อมูลได้

พอลิเมอร์นำไฟฟ้า (Conducting polymers):

เซนเซอร์ก๊าซพอลิเมอร์นำไฟฟ้าทำงานโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าที่เกิดจากการดูดซับก๊าซลงบนพื้นผิวเซนเซอร์

การวิเคราะห์ข้อมูลสำหรับจมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Data Analysis for Electronic Nose):

เอาต์พุตดิจิทัลที่สร้างโดยเซนเซอร์จมูกอิเล็กทรอนิกส์จะต้องได้รับการวิเคราะห์และตีความ มีเทคนิคหลักสามประเภทที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์:

• การวิเคราะห์ด้วยกราฟ (Graphical analysis)
• การวิเคราะห์ข้อมูลหลายตัวแปร (Multivariate data analysis)
• การวิเคราะห์เครือข่าย (Network analysis)

การเลือกใช้วิธีการขึ้นอยู่กับข้อมูลอินพุตที่มีจากเซนเซอร์

รูปแบบที่ง่ายที่สุดของการลดรูปข้อมูลคือการวิเคราะห์ด้วยกราฟ ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการเปรียบเทียบตัวอย่างหรือเปรียบเทียบองค์ประกอบการระบุกลิ่นของสิ่งที่ยังไม่ทราบวิเคราะห์เทียบกับแหล่งที่ทราบในห้องสมุดอ้างอิง

การวิเคราะห์ข้อมูลหลายตัวแปร (MDA) สร้างชุดเทคนิคสำหรับการวิเคราะห์ข้อมูลที่มีทั้งแบบผ่านการฝึก (trained) หรือไม่ผ่านการฝึก (untrained) เทคนิคแบบไม่ผ่านการฝึกจะใช้เมื่อยังไม่มีการสร้างฐานข้อมูลของตัวอย่างที่ทราบมาก่อน เทคนิค MDA แบบไม่ผ่านการฝึกที่ง่ายที่สุดและใช้กันแพร่หลายที่สุดคือ การวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก (PCA) การวิเคราะห์ข้อมูลจมูกอิเล็กทรอนิกส์แบบ MDA มีประโยชน์มากเมื่อเซนเซอร์มีความไวที่ครอบคลุมบางส่วนต่อสารประกอบเดี่ยวที่อยู่ในส่วนผสมตัวอย่าง PCA จะมีประโยชน์มากที่สุดเมื่อไม่มีตัวอย่างที่ทราบข้อมูลอยู่เลย

โครงข่ายประสาทเทียม (Neural network) เป็นเทคนิคการวิเคราะห์ที่รู้จักกันดีที่สุดและได้รับการต่อยอดมากที่สุด ซึ่งใช้ในแพ็กเกจซอฟต์แวร์สถิติสำหรับจมูกอิเล็กทรอนิกส์ที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์

ตัวอย่างเช่น ระบบจมูกอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการตรวจจับกลิ่นผลไม้:

ระบบจมูกอิเล็กทรอนิกส์ที่นำเสนอได้รับการทดสอบกับกลิ่นของผลไม้สามชนิด ได้แก่ เลมอน, กล้วย และลิ้นจี่ กลิ่นถูกจัดเตรียมโดยการวางตัวอย่างผลไม้ในบีกเกอร์ที่ปิดสนิทด้วยฝาปิด ไมโครคอนโทรลเลอร์ 8051 ถูกตั้งค่าให้อยู่ในโหมดทดสอบหรือโหมดฝึก หากระบบอยู่ในโหมดฝึก ค่าเซนเซอร์จะแสดงบน LCD หากระบบอยู่ในโหมดทดสอบ ผลการจำแนกประเภทของผลไม้เป้าหมายจะแสดงบน LCD ชุดเซนเซอร์จะได้รับก๊าซผ่านวาล์วที่ 1 ซึ่งปกติจะปิดอยู่ ปั๊มสุญญากาศจะถูกเปิดใช้งานเป็นเวลา 20 วินาทีเพื่อปั๊มก๊าซออกจากชุดเซนเซอร์

วาล์วที่ 1 ถูกปิดและความต้านทานของเซนเซอร์ได้รับเวลา 60 วินาทีเพื่อให้เข้าสู่โหมดสภาวะคงตัว (steady state mode) ผลการจำแนกค่าลักษณะเฉพาะของเซนเซอร์ปรากฏบน LCD ห้องชุดเซนเซอร์ถูกตัดการเชื่อมต่อจากบีกเกอร์ตัวอย่างผลไม้ และวาล์วที่ 1 ถูกเปิดเพื่อรับอากาศบริสุทธิ์ วาล์วที่ 2 ถูกเปิดเพื่อให้กลิ่นถูกปั๊มออกไป ห้องเซนเซอร์ถูกระบายอากาศด้วยอากาศบริสุทธิ์เป็นเวลาสองนาที

การประยุกต์ใช้จมูกอิเล็กทรอนิกส์:

• การวินิจฉัยทางการแพทย์และการตรวจสอบสุขภาพ
• การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม
• การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร
• การตรวจจับวัตถุระเบิด
• การประยุกต์ใช้ในอวกาศ (NASA)
• อุตสาหกรรมการวิจัยและพัฒนา
• ห้องปฏิบัติการควบคุมคุณภาพ
• แผนกกระบวนการและการผลิต
• การตรวจจับกลิ่นยาเสพติด
• การตรวจจับแบคทีเรียที่เป็นอันตราย

ฉันหวังว่าตอนนี้คุณจะได้รับแนวคิดเกี่ยวกับวิธีการทำงานของจมูกอิเล็กทรอนิกส์แล้ว