Kako dišijo molekule?
Marjan Kodelja 7. novembra 2017 ob 18:02

Človek ima v nosu 30 milijonov vohalnih celic, s katerimi lahko zazna vonj 350 molekul in okoli deset tisoč spojin, pa še to pod pogojem, da je njihova koncentracija relativno visoka. Pes ima 250 milijonov vohalnih celic. Umetni nos uporablja le 32 vohalnih tipal, ki so relativno natančna, vendar jih je treba pred vsakim »vohanjem« nastaviti. Prepozna pa lahko le vonje, ki jih ima v bazi podatkov, saj so zanj vonji le molekule v zraku. Na vonj se ne more odzivati kot človek, kateremu je vonj prijeten ali pa ga odbija, kljub temu pa bo imel umetni nos pomembno vlogo kot del alarmnega sistema v industriji in medicini.

Ne obstaja ena sama rešitev, znanstveniki delajo na več elektronskih nosovih, ki so narejeni za različne naloge. En element pa je pri vseh enak, tipalo, ki ujame »vonj« molekul in ga spremeni v električni signal. Največkrat so iz kremenjakovega kristala ali kovinskih oksidov. Kremenjakov kristal (quartz) lahko tehta majhne količine snovi z meritvijo spremembe frekvence nihanja kristalnega resonatorja. Vrsta molekul in njihovo število vplivata na nihanje, ki ga tipalo spremeni v električni signal. Tipalo iz kovinskega oksida pa je tranzistor MOSFET, kjer se molekule naberejo na tanki plasti iz kovinskega oksida in tranzistorju spremenijo električno prevodnost.

Znanstveni pristop se zelo razlikuje od naravnega.

Vohalna celica v našem nosu zazna le eno vrsto molekul, zato imamo več tipov celic, vsako za svoj vonj, in od tod tudi število vonjav, ki jih lahko zaznamo. Tipalo pa zazna vse molekule, ki so v njegovi bližini, to pretvori v električni signal, ki predstavlja vzorec molekul, s tem pa tudi vonjav. Zato se pri izdelavi tipal iz kovinskih oksidov uporabljajo različne spojine, kot so na primer kositrove ali cinkove, da tipala znajo zaznati različne vzorce. Nato v umetnem nosu kombinirajo različne tipe tipal, od štiri pa do dvaintrideset, da lahko umetni nos zazna vonj, ki ga mora. V bistvu ga ne, saj to nalogo opravi računalnik, ki prejema podatke. Algoritem deluje podobno kot možgani, zaznan vzorec vonjav primerja z vzorci v svoji bazi podatkov. Večja ko je baza podatkov, bolj zanesljiv je umetni nos in hitreje ga je mogoče nastaviti, da zazna določene vonjave (koncentracijo molekul).

Čeprav so tipala vonja relativno nenatančna, jih že uporabljajo v različne namene. Na primer v avtomobilu, kjer tipalo zazna, da smo zapeljali v predor, ker zazna povečano koncentracijo izpušnih plinov in samodejno zapre loputo za dovod zraka v prezračevalni sistem. Umetni nos lahko zazna tudi »vonj« spojin, ki so za človeški voh popolnoma brez vonjav in so hkrati nevarne. Ogljikovega monoksida ne zaznamo, umetni nos pa zazna že najmanjšo koncentracijo tega plina. Drugo področje uporabe je medicina, saj je mogoče določene bolezni odkriti na podlagi bolnikovih vonjav. Menda naj bi bilo mogoče iz vonja izdihnjenega zraka odkriti nekatere vrste tumorjev in bakterijskih okužb.

Razvoj elektronskega nosu je v povojih, in čeprav človeški voh ni največ, kar je v evoluciji razvila narava, elektronskega še vedno prekaša. V zraku je veliko vonjev, umetni nosovi pa niso dovolj selektivni, da bi zaznali natančno tisti vonj ali vzorec vonjav, ki ga želimo. Možna rešitev so nova tipala, izdelana iz drugačnih snovi. Kljub temu pa že napovedujejo mala prenosna tipala vonjav, ki bi jih lahko vgradili v pametne telefone. Tam bi lahko analizirala izdihan zrak, ko bi uporabnik telefoniral, in spremljala njegovo zdravstveno stanje ali opozarjala na nevarne snovi v okolici. Še vedno pa tudi ta nova tipala ne bi znala odgovoriti, ali vino, ki ga pijemo pri večerji, diši tako, kot bi moralo. Lahko pa bi povedala, katere snovi so v vinu, seveda če bi nas to zanimalo.

Voh človeka: Človeški nos

Na zgolj nekaj kvadratnih centimetrih imamo 30 milijonov vohalnih celic. Njihove dlačice zaznajo vonj in pošljejo signal možganom.

Na vohalni sluznici, veliki 2 krat 5 kvadratnih centimetrov, je 30 milijonov vohalnih celic, ki pa niso vse enake. Obstaja 350 tipov celic, kjer vsaka absorbira le točno določene molekule. S kombinacijo signalov teh celic so možgani sposobni razločiti deset tisoč vonjav.

Vonj zraka (molekule v zraku) se veže na vohalno sluznico. Vohalna celica ima približno 20 dlačic, ki pretvorijo »vonj« v električni impulz. Živčna vlakna signale posredujejo možganom.

 

Prednosti in slabosti:

(+) prepozna veliko vonjav

(+) hitro zaznavanje

(-) zaznamo le vonjave relativno visoke koncentracije

(-) znane vonjave čez čas »odmisli« oziroma jih ne registrira

(-) odvisen od dnevnega počutja

Voh stroja: Elektronski nos

E-nos sestavlja nekaj tipal, ki se odzivajo na prisotnost molekul vonjav v zraku. Pred vsako zaznavo morajo e-nos primerno nastaviti, da je sposoben zaznati prisotnost točno določenega vzorca vonja.

  1. V podatkovni bazi so zapisani vzorci vonjav.
  2. V primeru tipala MOS molekule na kovinski plasti vplivajo na njegovo električno prevodnost.
  3. Pri tipalu iz kremenčevega kristala (QMB) molekule vonja spremenijo njegovo resonančno frekvenco.
  4. Grafični prikaz v tri- ali dvodimenzionalni obliki prikaže prisotnost iskanega vonja.
  5. Algoritem primerja električne signale tipal in jih primerja z vzorci v svoji bazi podatkov.
  6. Tipalo MOS se lahko odziva na različne snovi, vendar zahteva visoko koncentracijo vzorčnega plina.
  7. Tipalo QMB lahko nastavijo, da zazna tudi zelo majhne koncentracije molekul.
  8. Tipali temperature in vlažnosti izmerita stanje vzorca, da je stanje enako ostalim vzorcem.

Prednosti in slabosti:

(+) e-nos se nikoli ne utrudi

(+) enakomerno in natančno merjenje

(+) sposoben zaznati zelo fine vonjave

(-) pred vsakim »vohanjem« ga je treba nastaviti

 

Naroči se na redna vsakotedenska e-poštna obvestila o novih prispevkih na naši strani.


Avtor Marjan Kodelja
mm
Marjan se s tehnološkim novinarstvom ukvarja od leta 1997 in v tem času je videl že mnogo stvari, ki se nikoli niso uveljavile ali pa so imele kratek čas trajanja. Začel je pri računalniški reviji Moj mikro in ter 2000 postal njen urednik. Veliko kasneje je bil urednik naprej tednika Stop in nato še tednika Vklop, trenutno pa kruh služi s pisanjem tehnoloških člankov.
Marjan Kodelja - prispevki
Brez komentarjev

Dodaj odgovor

Vaš e-naslov ne bo objavljen. * označuje zahtevana polja