In de natuur, geuren van planten trekken dieren zoals insecten aan. Echter, geuren worden ook gebruikt in de industrie, bijvoorbeeld bij de productie van parfums en aroma's. Om een ​​betrouwbare, snel, en objectieve discriminatie van muntgeuren in het bijzonder, onderzoekers van het KIT (Karlsruhe Institute of Technology) gingen een interdisciplinaire samenwerking aan en ontwikkelden een elektronische neus met een kunstmatige reukzin. Deze E-nose bereikt een hoge precisie bij het herkennen van verschillende muntsoorten, waardoor het een geschikt hulpmiddel is voor toepassingen variërend van farmaceutische kwaliteitscontrole tot de monitoring van muntolie als een milieuvriendelijk bioherbicide.

"Tot dusver, wetenschappers konden naar schatting 100 identificeren, 000 verschillende biologische verbindingen waardoor naburige planten met elkaar interageren of andere organismen controleren, zoals insecten, ", zegt professor Peter Nick van het Botanical Institute of KIT. "Deze verbindingen lijken erg op elkaar in planten van hetzelfde geslacht." Een klassiek voorbeeld uit de plantenwereld is munt, waar de verschillende soorten produceren met zeer soortspecifieke geuren. Industriële kwaliteitscontrole van muntolie, vooral, is onderworpen aan strikte wettelijke voorschriften om vervalsing te voorkomen, is tijdrovend, en vereist veel expertise, legt de wetenschapper uit. Een nieuwe "elektronische neus" uitgerust met sensoren gemaakt van gecombineerde materialen zal dit proces ondersteunen. Onderzoekers van het Botanisch Instituut, het Instituut voor Functionele Interfaces (IFG), het Instituut voor Microstructuurtechnologie (IMT), en het Light Technology Institute (LTI) van KIT hebben deze sensoren gezamenlijk ontwikkeld en getest met zes verschillende muntsoorten.

Elektronische neus gebaseerd op een biologisch model

Bij de ontwikkeling van de E-nose, het hele onderzoeksteam heeft zich zoveel mogelijk laten leiden door het biologische model:de reukcellen, die bij mensen informatie naar de hersenen sturen via elektrische pulsen, worden vervangen door twaalf speciale QCM (Quartz Crystal Microbalance) sensoren. Deze sensoren bestaan ​​uit twee elektroden voorzien van een kwartskristal. Onder andere, dergelijke componenten zijn ook te vinden in mobiele telefoons, omdat ze zeer nauwkeurige mobiele telefoonfrequenties tegen lage kosten garanderen. "De muntgeuren worden afgezet op het oppervlak van de sensoren. Hierdoor verandert hun resonantiefrequentie en krijgen we een reactie op de respectieve geur, ", legt professor Christof Wöll van de IFG uit. Geuren bestaan ​​uit organische moleculen in verschillende samenstellingen. Om de nieuwe sensoren in staat te stellen deze moleculen te absorberen, de IFG-onderzoekers gebruikten twaalf specifieke sensormaterialen, inclusief de metaal-organische raamwerken (MOF's) die zijn ontwikkeld bij de IFG. "Deze materialen zijn zeer poreus en bijzonder geschikt voor sensortoepassingen omdat ze veel moleculen kunnen absorberen, zoals een spons, " zegt Wöll. "Door de sensoren te combineren met de verschillende materialen, we creëren wat een neuraal netwerk zou kunnen worden genoemd."

Machine learning gebruiken om de E-nose te trainen met zes muntsoorten

De wetenschappers testten de elektronische neus met zes verschillende muntsoorten, waaronder klassieke pepermunt, paardenmunt en kattenkruid. "We gebruiken verschillende machine learning-methoden om de sensoren te trainen, zodat ze de vingerafdruk van de respectieve geur kunnen maken uit de verzamelde gegevens en zo de geuren kunnen onderscheiden, " zegt Wöll. Na elk geurmonster, de E-neus wordt gespoeld met kooldioxide (CO ₂ ) ongeveer een half uur om de sensoren te laten regenereren.

De resultaten van het interdisciplinaire onderzoeksteam hebben aangetoond dat de elektronische neus met zijn QCM-sensoren muntgeuren met een hoge specificiteit kan toewijzen aan een bepaalde soort. In aanvulling, het is een gebruiksvriendelijke, betrouwbaar, en kosteneffectief alternatief voor conventionele methoden zoals massaspectrometrie, stelt de wetenschapper verder. Verdere ontwikkeling zal zich richten op sensoren die sneller regenereren om geuren weer op te pikken. De IFG-onderzoekers zullen zich blijven concentreren op MOF-materialen om ze aan te passen voor andere toepassingen, zoals kunstmatige olfactorische waarneming voor medische diagnostiek.