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傳感器和材料的結合模擬了人工嗅覺。圖片來源：Amadeus Bramsiepe，KIT

在自然界中，植物散發出的氣味會吸引昆蟲等動物。然而，香精也用于工業，例如香水和香精的生產。特別是為了實現對薄荷氣味的可靠、快速和客觀的區分，KIT（卡爾斯魯厄理工學院）的研究人員開始跨學科合作，開發出一種具有人工嗅覺的電子鼻。這種 E-nose 在識別不同薄荷種類方面實現了高精度，這使其成為適用于從藥物質量控制到薄荷油作為環保生物除草劑的監測等應用的合適工具。

“到目前為止，科學家們已經能夠識別出大約 100,000 種不同的生物化合物，相鄰植物通過這些化合物相互作用或控制其他生物，例如昆蟲，”KIT 植物研究所的彼得尼克教授說。“這些化合物在同屬植物中非常相似。” 植物界的一個經典例子是薄荷，不同品種的薄荷具有非常特定的物種氣味。科學家解釋說，薄荷油的工業質量控制尤其受到嚴格的法律法規的約束，以防止摻假，這既耗時又需要大量的專業知識。配備由復合材料制成的傳感器的新型“電子鼻”將支持這一過程。植物研究所的研究人員，

基于生物模型的電子鼻

在電子鼻的研發過程中，整個研究團隊盡可能以生物模型為指導：人類通過電脈沖向大腦傳遞信息的嗅覺細胞被十二個特殊的QCM（石英晶體微量天平）傳感器。這些傳感器由兩個裝有石英晶體的電極組成。其中，此類組件也可以在手機中找到，因為它們以低成本保證了高度準確的手機頻率。“薄荷氣味沉積在傳感器的表面。這會改變它們的共振頻率，我們對各自的氣味產生反應，”來自 IFG 的 Christof W?ll 教授解釋說。氣味由有機分子組成在不同的組成中。為了使新傳感器能夠吸收這些分子，IFG 研究人員使用了十二種特定的傳感器材料，包括 IFG 開發的金屬有機框架 (MOF)。“這些材料具有高度多孔性，特別適合傳感器應用，因為它們可以像海綿一樣吸收許多分子，”沃爾說。“通過將傳感器與不同的材料相結合，我們創建了可能被稱為神經網絡的東西。”

使用機器學習訓練六種薄荷種類的電子鼻

科學家們用六種不同的薄荷品種——包括經典薄荷、馬薄荷和貓薄荷——測試了電子鼻。“我們使用不同的機器學習方法來訓練傳感器，以便它們可以從收集到的數據中創建相應氣味的指紋，從而區分氣味，”W?ll 說。在每個氣味樣本之后，E-nose 用二氧化碳 (CO 2 )沖洗大約半小時，以使傳感器再生。

跨學科研究團隊獲得的結果表明，帶有 QCM 傳感器的電子鼻可以為特定物種分配具有高度特異性的薄荷氣味。此外，科學家進一步指出，它是一種用戶友好、可靠且具有成本效益的替代傳統方法（如質譜法）的方法。進一步的開發將集中在能夠更快地再生以再次吸收氣味的傳感器。IFG 研究人員將繼續專注于 MOF 材料，以便將它們用于其他應用，例如用于醫學診斷的人工嗅覺感知。