전자코

Electronic nose
전자 코는 매우 쾌적한(예: 장미)에서 매우 불쾌한(예: 스컹크)에 이르는 축, 즉 악취 쾌락의 지각 축에 맞춰 조정되었다. 이를 통해 eNose는 이전에는 접하지 못했던 새로운 냄새의 냄새를 맡을 수 있게 되었지만, 여전히 대상자의 문화적 배경과 무관하게 인간의 평가와 높은 합의 하에 냄새 쾌적성 추정치를 도출할 수 있었다. 이것은 분자 구조와[1] 밀접하게 연결된 냄새의 쾌적함의 선천적인 성분을 암시한다.

전자코(Electronic Nose)는 냄새나 향을 감지하기 위한 전자 감지 장치다. '전자감지'라는 표현은 센서 어레이와 패턴 인식 시스템을 이용해 인간의 감각을 재현하는 기능을 말한다.

1982년부터는 냄새와 향기를 감지하고 인식할 수 있는 기술을 개발하기 위한 연구가 진행되어 왔다.[2] 인식 프로세스의 단계는 인간의 후각과 유사하며, 식별, 비교, 정량화 및 데이터 저장과 검색을 포함한 기타 애플리케이션을 위해 수행된다. 그러한 장치들은 산업용으로 사용된다.

기타 악취 분석 기법

모든 산업에서 악취 평가는 보통 인간의 감각 분석, 화학 반응기 또는 기체 크로마토그래피에 의해 이루어진다. 후자의 기법은 휘발성 유기화합물에 대한 정보를 제공하지만 분석 결과와 평균 악취 인식 사이의 상관관계는 여러 악취성분 사이의 잠재적 상호작용 때문에 직접적이지 않다.

와스프하운드 악취탐지기에서 기계적 요소는 비디오 카메라, 생물학적 요소는 특정 화학물질이 존재하는 것에 대응하여 무리를 짓도록 조건화한 다섯 마리의 기생 말벌이다.[3]

역사

과학자 알렉산더 그레이엄 벨은 냄새를 측정하기 어렵다는 개념을 대중화시켰고,[4] 1914년에 다음과 같이 말했다.

냄새 측정해 본 적 있어? 당신은 한 냄새가 다른 냄새보다 두 배 강한지 알 수 있는가? 너는 두 종류의 냄새와 다른 종류의 냄새의 차이를 측정할 수 있니? 제비꽃과 장미의 냄새에서부터 아사페티다에 이르기까지 우리가 매우 다양한 종류의 냄새를 가지고 있다는 것은 매우 명백하다. 그러나 그들의 유사성과 차이점을 측정할 수 있을 때까지는 악취의 과학을 가질 수 없다. 만약 당신이 새로운 과학을 찾기를 열망한다면, 냄새를 측정하라.

— Alexander Graham Bell, 1914[5]

벨이 이 관찰을 한 이후 수십 년 동안, 냄새에 대한 어떤 과학도 구체화되지 않았고, 1950년대와 그 이후에야 실질적인 진전이 이루어졌다.[4] 냄새 탐지의 일반적인 문제점은 에너지 측정이 아니라 물리적 입자를 수반한다는 것이다.[6]

작업원리

전자 코는 분리되지 않는 메커니즘으로 기능하는 인간의 후각을 모방하기 위해 개발되었다. 즉, 냄새/향미가 전지구적인 지문으로 인식된다.[7] 기본적으로 기기는 냄새 특성화에 사용되는 신호 패턴을 생성하기 위해 헤드 스페이스 샘플링, 화학 센서 어레이, 패턴 인식 모듈 등으로 구성된다.[8]

전자 코는 샘플 전달 시스템, 탐지 시스템, 계산 시스템의 세 가지 주요 부분을 포함한다.[8]

샘플 전달 시스템은 분석된 분율인 샘플의 헤드 스페이스(휘발성 화합물) 생성을 가능하게 한다. 그러면 시스템은 이 헤드 스페이스를 전자 코의 감지 시스템에 주입한다. 지속적인 작동 조건을 보장하기 위해서는 샘플 전달 시스템이 필수적이다.[8]

센서 세트로 구성된 감지 시스템은 계측기의 "활성" 부분이다. 휘발성 화합물과 접촉하면 센서가 반응하는데, 이는 전기적 특성이 변한다는 것을 의미한다.[8]

대부분의 전자 코에서 각각의 센서는 모든 휘발성 분자에 민감하지만 각각은 특정한 방식으로 민감하다. 그러나 생체전자 코에서는 특정 냄새 분자에 반응하는 수용체 단백질이 사용된다. 대부분의 전자 코는 접촉 시 휘발성 화합물에 반응하는 화학 센서 어레이를 사용한다. 즉, 센서 표면에 휘발성 화합물이 흡착되면 센서의 물리적 변화가 발생한다. 전자 인터페이스가 신호를 디지털 값으로 변환하여 특정한 응답을 기록한다. 기록된 데이터는 통계적 모델에 기초하여 계산된다.[9]

생물 전자 코는 후각 수용체 - 생물학적 유기체로부터 복제된 단백질로 특정 냄새 분자와 결합한다. 한 그룹은 인간의 코가 냄새를 매우 높은 민감도로 감지하기 위해 사용하는 신호 시스템을 모방하는 생체 전자 코, 즉 대퇴골 농도를 개발했다.[10]

전자 코에 더 흔히 사용되는 센서는 다음과 같다.

  • 금속-산화물-반도체(MOSFET) 장치 - 전자 신호를 증폭하거나 전환하는 데 사용되는 트랜지스터. 이는 센서 영역으로 들어가는 분자가 양극 또는 음극으로 충전되어 MOSFET 내부의 전기장에 직접적인 영향을 미친다는 원칙에 따라 작용한다. 따라서 각각의 추가 충전된 입자를 도입하면 트랜지스터에 고유한 방식으로 직접 영향을 미치게 되어 패턴 인식 컴퓨터 시스템에 의해 해석될 수 있는 MOSFET 신호의 변화가 발생한다. 따라서 본질적으로 각 검출 가능한 분자는 컴퓨터 시스템이 해석할 수 있도록 고유한 신호를 가질 것이다.
  • 전도성 중합체 - 전기를 전도하는 유기 중합체.[11]
  • 폴리머 합성물 - 전도성 폴리머와 유사하지만 탄소 블랙과 같은 전도성 재료를 추가하여 비전도성 폴리머로 제조된다.
  • 쿼츠 결정 마이크로 밸런스(QCM) - 쿼츠 결정 공명기의 주파수 변화를 측정하여 단위 면적당 질량을 측정하는 방법. 이것은 데이터베이스에 저장되어 향후 참조에 사용될 수 있다.
  • 표면 음향파(SAW) - 물리적 현상을 감지하기 위해 표면 음향파의 변조에 의존하는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS)[12]의 일종
  • 질량 분광기는 소형화하여 범용 가스 분석 장치를 형성할 수 있다.[13]

어떤 장치들은 폴리머 코팅 QCM과 같이 하나의 장치에 여러 종류의 센서 유형을 결합한다. 독립적인 정보는 훨씬 더 민감하고 효율적인 장치로 이어진다.[14] 개코 코 주위의 기류에 대한 연구와 생명체 모델에 대한 테스트는 실제 개와 유사한 주기적인 '스니핑 작용'이 개선된 범위와 반응[15] 속도 측면에서 이로운 것으로 나타났다.

최근에는 질량분광법이나 초고속 기체크로마토그래피를 검출 시스템으로 활용하는 다른 형태의 전자코가 개발되고 있다.[9]

컴퓨팅 시스템은 데이터 처리를 위한 입력을 나타내는 모든 센서의 반응을 결합하는 작업을 한다. 계측기의 이 파트는 글로벌 지문 분석을 수행하고 쉽게 해석할 수 있는 결과와 표현을 제공한다. 또한 전자 코 결과는 다른 기법(감각판, GC, GC/MS)에서 얻은 것과 상관관계가 있을 수 있다. 많은 데이터 해석 시스템은 결과 분석에 사용된다. 이러한 시스템에는 인공신경망(ANN),[16] 퍼지 논리, 패턴인식 모듈 등이 포함된다.[17] 인공신경망(ANN)이 포함된 인공지능은 환경 악취 관리의 핵심 기법이다.[18]

분석 수행

첫 번째 단계로, 전자 코는 기준 데이터베이스를 구축하기 위해 검증된 샘플로 훈련되어야 한다. 그러면 기기는 휘발성 화합물의 지문을 데이터베이스에 포함된 지문과 비교함으로써 새로운 샘플을 인식할 수 있다. 따라서 그들은 정성적 또는 정량적 분석을 수행할 수 있다. 그러나 이것은 냄새들이 여러 개의 다른 분자로 구성되어 있기 때문에 문제를 일으킬 수 있다. 냄새는 다른 화합물로 등록되어 코의 주요 기능에 따라 부정확하거나 부정확한 결과를 초래하기 때문에 장치에 의해 잘못 해석될 수 있다.[19] e-nose 데이터 집합의 예도 이용할 수 있다.[20] 이 데이터 집합은 특히 육류 품질 연구를 위해 e-nose 신호 처리를 위한 참조 자료로 사용될 수 있다. 이 데이터 집합의 두 가지 주요 목표는 다갈색 쇠고기 분류와 회귀에 의한 미생물 개체군 예측이다.

적용들

분석화학부(gdańsk공대 화학 교수진)에서 개발한 전자코로 식품이나 환경 샘플의 신속한 분류가 가능하다.

전자코 기구는 연구 개발 실험실, 품질 관리 실험실, 공정 및 생산 부서에 의해 다양한 용도로 사용된다.

품질관리 연구실

  • 원료, 중간 및 최종 제품의 적합성
  • 배치 대 배치 일관성
  • 오염, 부패, 혼입의 감지
  • 오리진 또는 벤더 선택
  • 스토리지 상태 모니터링
  • 육류 품질 모니터링.[21]

공정 및 생산 부서

  • 원료 변동성 관리
  • 레퍼런스 제품과의 비교
  • 제조공정이 제품에 미치는 영향 측정 및 비교
  • 사후 처리 공정 효율성
  • 스케일업 모니터링
  • 제자리에서의 청소 모니터링.

제품 개발 단계에서

  • 다양한 공식 또는 조리법의 감각 프로파일링 및 비교
  • 경쟁력 있는 제품의 벤치마킹
  • 프로세스 또는 성분의 변경이 감각 기능에 미치는 영향 평가.

보건 및 보안 분야에서 가능한 미래의 애플리케이션

  • MRSA(메티실린 내성 포도상구균)의 냄새를 인식하도록 특별히 개발된 소프트웨어와 같이 위험하고 유해한 세균의 검출.[22] 또한 많은 다른 물질들 중에서 메티실린소감 S. aureus(MSSA)를 인식할 수 있다. 병원 환기 시스템에 세심하게 배치하면 전염성이 높은 많은 병원균에 의한 다른 환자나 장비의 오염을 감지하여 예방할 수 있다는 이론이 나왔다.
  • 의학적 상태를 나타내는 VOCs(휘발성유기화합물)를 검출하여 폐암이나 기타 의학적 상태를 검출한다.[23][24][25]
  • COPD 악화에서 바이러스 및 박테리아 감염의 검출.[26]
  • 식품 포장에 편리하게 담아 식품이 부패하기 시작한 시기를 명확히 표시하거나 현장에서 사용함으로써 세균이나 곤충 오염을 검출할 수 있어 식품 품질관리가 가능했다.[27]
  • 비강 임플란트는 음낭이나 후각이 약한 사람들에게 천연 가스의 존재를 경고할 수 있다.
  • 뇌지도재단은 뇌암세포를 검출하기 위해 전자코를 사용했다.[28][29][30][31][32][33]

범죄 예방 및 보안 분야에서 가능한 미래의 지원

  • 무취의 냄새를 감지하는 전자 코의 능력은 경찰견들을 혼란스럽게 할 수 있는 다른 공기 중의 냄새에도 불구하고 폭탄 냄새를 감지하는 능력과 같은 경찰력에서 사용하기에 이상적이다. 그러나 전자 코의 가격이 상당히 높기 때문에 이것은 가까운 시일 내에 일어날 것 같지 않다.
  • 그것은 또한 공항에서 마약 탐지 방법으로 사용될 수 있다. 몇 개 또는 그 이상의 전자코와 효과적인 컴퓨터 시스템을 세심하게 배치함으로써, 몇 초 안에 약물의 위치를 그들 위치로부터 몇 미터 이내로 삼각측량할 수 있었다.
  • 폭발물에 의해 뿜어져 나오는 증기를 감지하는 실증 시스템이 존재하지만, 현재 잘 훈련된 탐지견에게는 어느 정도 뒤처져 있다.

환경 모니터링에서

  • 공기, 물 및 토양 샘플에서 휘발성 유기 화합물의 식별을 위해.[34][35]
  • 환경보호를 위해서.[36]

다양한 응용노트는 향료와 향료, 식음료, 포장, 제약, 화장품 및 향수, 화학 회사 등의 분야에서 분석을 기술한다. 최근에는 현장 장치 네트워크를 통한 후향성 장애 모니터링 측면에서도 대중의 우려를 해결할 수 있다.[37][38] 현장의 배출률은 일부 발생원에 대해 매우 가변적일 수 있기 때문에 전자 코는 변동과 추세를 추적하고 실시간으로 상황을 평가할 수 있는 도구를 제공할 수 있다.[39] 중요한 원천에 대한 이해를 향상시켜, 능동적인 악취관리로 이어진다. 실시간 모델링은 현재 상황을 제시하며, 운영자는 어떤 기간과 조건이 설비를 위험에 빠뜨리고 있는지 이해할 수 있다. 또한 기존 상용 시스템은 적절한 조치를 개시하기 위해 설정 지점(수용체/경보 지점에서 모델링된 악취 농도 또는 코/ 발생원에서 악취 농도)에 기반한 활성 경보를 갖도록 프로그래밍할 수 있다.

참고 항목

참조

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외부 링크