Elektroniczny nos nie zastąpi póki co nosa ludzkiego, ale może pomóc w wykrywaniu źródeł uciążliwych zapachów i monitorowaniu ich poziomu w naszym otoczeniu. Nad stworzeniem takiego urządzenia pracuje dr Justyna Jońca z Wydziału Inżynierii Środowiska PWr.

Badaczka z W7 jest absolwentką Uniwersytetu Warszawskiego, a doktorat przygotowywała we współpracy z Laboratorium Badań Geofizyki i Oceanografii Satelitarnej (LEGOS) Narodowego Centrum Badań Naukowych (Tuluza, Francja) oraz z Interdyscyplinarnym Centrum Nanotechnologii Uniwersytetu w Aarhus (we współpracy z UNISENSE A/S) w Danii.

Dr Jońca zajmowała się czujnikami elektrochemicznymi do pomiaru fosforanów i krzemianów w wodzie morskiej, a swoje urządzenia testowała m.in. podczas dwóch wypraw oceanicznych.

– Fosforany i krzemiany to makroelementy, które są niezbędne fitoplanktonowi do rozwoju. Pochłania on CO2 z powietrza i przekształca go w materię organiczną. Analizując stężenie tych makroelementów na powierzchni i na różnych głębokościach w wodach oceanicznych możemy śledzić różnego rodzaju procesy mikrobiologiczne, a także ruch mas wodnych i wyciągać wnioski na temat przeszłości i przyszłości naszego klimatu – mówi dr Justyna Jońca.

Swój staż podoktorski odbyła w Laboratorium Chemii Koordynacyjnej Narodowego Centrum Badań Naukowych w Tuluzie. W tym czasie pracowała nad syntezą i zastosowaniem nanocząstek metali i tlenków metali do konstrukcji nosów elektronicznych przeznaczonych do badania jakości powietrza i zastosowań w katalitycznym usuwaniu czadu ze spalin.

Po powrocie do kraju zajęła się popularyzacją nauki, a po przerwie związanej z urlopem macierzyńskim wystąpiła z wnioskiem o grant w Programie Marie Skłodowskiej-Curie i dołączyła do grupy dr hab. inż. Izabeli Sówki, prof. uczelni z Wydziału Inżynierii Środowiska. To właśnie na PWr przez najbliższe trzy lata będzie realizować swój projekt w zakresie stworzenia innowacyjnego elektronicznego nosa pod nazwą SENSODOR.

Jak ocenić zapach?

– Bardzo trudno jest zmierzyć zapach. Typowe techniki analityczne pozwalają określić chemiczny skład mieszaniny odpowiedzialnej za pojawienie się zapachu, ale nie odpowiedzą nam na pytanie, czy jest on przyjemny, jakie ma stężenie, czy intensywność – wyjaśnia dr Justyna Jońca. – Jak dotąd najlepszym instrumentem do oceny uciążliwości zapachowej jest nasz nos – dodaje. 

W dużym skrócie można więc powiedzieć, że technika tzw. olfaktometrii dynamicznej wykorzystuje ludzkie nosy. Zespół minimum czterech osób, tzw. panel ludzkich nosów, po odpowiednim przeszkoleniu i przy użyciu odpowiednich procedur jest w stanie precyzyjnie określić stężenie zapachowe, intensywność i jakość hedoniczną różnego rodzaju mieszanin zapachowych. Elektroniczne nosy, które chce stworzyć nasza badaczka mają być uzupełnieniem w prowadzeniu tego typu badań.

– Zebranie zespołu i przeprowadzenie oceny jest kosztowne i czasochłonne, a w tym czasie źródło uciążliwości zapachowej może zostać zniwelowane na skutek zmiany charakteru emisji i warunków jej towarzyszących. Rozwiązaniem mogą być właśnie nosy elektroniczne, tworzące sieć monitorującą wokół interesującego nas obiektu np. zakładu gospodarki odpadami komunalnymi. Pozwoli to na prowadzenie ciągłego monitoringu danego obiektu – tłumaczy dr Justyna Jońca.

Jest to o tyle istotne, że o ile zazwyczaj substancje zapachowe nie są niebezpieczne dla ludzkiego życia, o tyle dłuższa ekspozycja na nie może powodować m.in. problemy z koncentracją, podrażnienia oczu i gardła, co przekłada się na obniżenie jakości życia i pracy.

Sieć czujników

A jak zbudowany będzie elektroniczny nos? Tego typu urządzenia składają się przede wszystkim z matrycy czujników, a sercem każdego z nich jest tzw. warstwa czuła, która może być wykonana z polimerów lub tlenków metali półprzewodnikowych, czyli np. tlenku cynku, tlenku cyny, czy tlenku miedzi.

– W każdym urządzeniu takich czujników będziemy mieli kilka lub kilkanaście, ale nie będą one selektywne. Oznacza to, że nie będą wykrywały konkretnego związku, ale każdy z wybranych czujników będzie inaczej reagował z analizowaną mieszaniną – wyjaśnia dr Justyna Jońca. Całość będzie zamknięta w skrzynce ochronnej z wbudowanym systemem przepływu powietrza.

Na podstawie zebranych z matrycy sygnałów powstanie tzw. odcisk zapachu. Warto bowiem wiedzieć, że podobnie jak odcisk palca u człowieka, każda mieszanina zapachowa ma swój niepowtarzalny wzór. Próbki będą także analizowane przez panel ludzkich nosów.

Wyniki z obu pomiarów zostaną wprowadzone do komputera, który dzięki zastosowaniu algorytmów uczenia maszynowego będzie się stopniowo uczył. I to do tego stopnia, że finalnie sam będzie w stanie określić stężenie oraz intensywność zapachu nieznanej mu próbki. 

– Mam nadzieję, że dzięki zastosowaniu nanotechnologii uda mi się uzyskać lepsze parametry, niż w dotychczas stosowanych czujnikach. Dzięki zaprojektowaniu warstwy czułej w nanoskali uzyskać można m.in. wyższą czułość urządzenia. Finalnym etapem projektu, po opracowaniu elektronicznego nosa i stworzeniu sieci monitorującej, będzie zainstalowanie go na dronie. Tego typu autonomiczne urządzenie mogłoby być wykorzystane m.in. do poszukiwania źródeł uciążliwości zapachowych – zapowiada dr Justyna Jońca.

Międzynarodowa współpraca

Projekt potrwa trzy lata, a wysokość grantu to 224 tys. euro. Na Politechnice Wrocławskiej oprócz zespołu prof. Izabeli Sówki w jego realizację włączył się również dr inż. Jarosław Szrek z Wydziału Mechanicznego. 

Część badań zostanie przeprowadzona w Laboratorium Chemii Koordynacyjnej Narodowego Centrum Badań Naukowych w Tuluzie. Za kwestie związane z uczeniem maszynowym odpowiedzialny będzie dr Adalbert Arsen – absolwent oraz były pracownik PWr. Testy elektronicznego nosa natomiast będą prowadzone najprawdopodobniej we współpracy z wybranym Zakładem Gospodarowania Odpadami w województwie dolnośląskim.

– Gdy urządzenie będzie gotowe, chciałabym także nawiązać współpracę z odpowiednimi służbami na poziomie wojewódzkim i być może udałoby się wdrożyć stały monitoring w wybranych miejscach na terenie Dolnego Śląska – zapowiada dr Justyna Jońca.

mic