電子鼻

電子鼻は、匂いや味を検知するための電子感知装置です。「電子感知」という表現は、センサーアレイとパターン認識システムを使用して人間の感覚を再現する機能を指します。

1982年以来、^[2]匂いや味を検知・認識できる、一般に電子鼻と呼ばれる技術の開発研究が行われてきました。認識プロセスの段階は人間の嗅覚に似ており、識別、比較、定量化、およびデータの保存と検索などの他の用途のために実行されます。このようなデバイスの一部は産業目的で使用されています。

すべての産業において、臭気評価は通常、人間の感覚分析、化学センサー、またはガスクロマトグラフィーによって行われます。後者の技術は揮発性有機化合物に関する情報を提供しますが、分析結果と平均的な臭気知覚との相関関係は、複数の臭気成分間の潜在的な相互作用のため、直接的ではありません。

ワスプハウンド臭気検出器では、機械的要素はビデオカメラであり、生物学的要素は特定の化学物質の存在に反応して群れをなすように条件付けられた5匹の寄生蜂である。^[3]

科学者アレクサンダー・グラハム・ベルは匂いを測定するのは難しいという考えを広め、^[4] 1914年に次のように述べました。

匂いを測ったことがありますか? ある匂いが別の匂いの 2 倍強いかどうかわかりますか? 2 種類の匂いと別の匂いの違いを測れますか? スミレやバラの匂いからアサフェティダの匂いまで、非常に多くの種類の匂いがあることは明らかです。しかし、それらの類似点と相違点を測ることができなければ、匂いの科学は成り立ちません。新しい科学を見つけたいという野心があるなら、匂いを測ってください。

— アレクサンダー・グラハム・ベル、1914年^[5]

ベルがこの観察を行ってから数十年経っても、匂いに関するそのような科学は実現せず、1950年代以降になってようやく本当の進歩が見られました。^[4]匂い検知の一般的な問題は、エネルギーではなく物理的な粒子を測定することです。^[6]

電子鼻は、非分離メカニズムとして機能する人間の嗅覚を模倣するために開発されました。つまり、匂いや風味は全体的な指紋として認識されます。^[7]本質的には、この機器はヘッドスペースサンプリング、化学センサーアレイ、およびパターン認識モジュールで構成されており、匂いを特徴付けるために使用される信号パターンを生成します。^[8]

電子鼻は、サンプル供給システム、検出システム、計算システムという3つの主要な部分で構成されています。^[9]

サンプル供給システムは、サンプルのヘッドスペース（揮発性化合物）の生成を可能にし、これが分析対象となります。次に、システムはこのヘッドスペースを電子鼻の検出システムに注入します。サンプル供給システムは、一定の動作条件を保証するために不可欠です。^[8]

センサーセットで構成される検出システムは、機器の「反応」部分です。揮発性化合物と接触すると、センサーが反応し、電気的特性が変化します。^[8]

ほとんどの電子鼻では、各センサーはすべての揮発性分子に反応しますが、それぞれ特定の方法で反応します。しかし、バイオ電子鼻では、特定の匂い分子に反応する受容体タンパク質が使用されています。ほとんどの電子鼻は、接触すると揮発性化合物に反応する化学センサーアレイを使用しています。揮発性化合物がセンサー表面に吸着すると、センサーの物理的変化が起こります。^[10]特定の応答は、信号をデジタル値に変換する電子インターフェースによって記録されます。記録されたデータは、統計モデルに基づいて計算されます。^[11]

バイオエレクトロニック鼻は嗅覚受容体（特定の匂い分子に結合する、例えば人間などの生物からクローン化されたタンパク質）を使用します。あるグループは、フェムトモル濃度という非常に高い感度で匂いを感知するために人間の鼻が使用するシグナル伝達システムを模倣したバイオエレクトロニック鼻を開発しました。 ^[12]

電子鼻に最もよく使われるセンサーには、

• 金属酸化物半導体（MOS）デバイス - 金属酸化物半導体センサーには、対象ガスの存在下で電気抵抗が変化する金属酸化物コーティングが含まれています。対象ガスの存在は、金属酸化物層の抵抗の経時的変化を測定することで推測できます。^[13]
• 導電性ポリマー– 電気を伝導する有機ポリマー。^[14]
• ポリマー複合材 - 使用方法は導電性ポリマーに似ていますが、非導電性ポリマーにカーボンブラックなどの導電性材料を加えて配合されています。
• 水晶振動子マイクロバランス(QCM) – 水晶振動子共振器の周波数の変化を測定することで単位面積あたりの質量を測定する方法。これはデータベースに保存して、将来の参照に使用できます。
• 表面弾性波（SAW） – 表面弾性波の変調を利用して物理現象を感知する微小電気機械システム（MEMS）の一種。^[15]
• 質量分析計は小型化が可能で、汎用ガス分析装置として使用できる。^[16]

一部のデバイスでは、ポリマーコーティングされたQCMなど、複数のセンサータイプを1つのデバイスに組み合わせています。独立した情報により、はるかに感度が高く効率的なデバイスが実現します。^[17] 犬の鼻の周りの空気の流れの研究と実物大モデルのテストでは、本物の犬に似た周期的な「嗅ぎ行動」が、反応範囲と速度の改善の点で有益であることが示されています^[18]

近年では、質量分析法や超高速ガスクロマトグラフィーを検出システムとして利用する他のタイプの電子鼻が開発されている。^[11]

コンピューティング システムは、すべてのセンサーの応答を結合して、データ処理の入力を表すように機能します。機器のこの部分は、グローバル フィンガープリント分析を実行し、簡単に解釈できる結果と表現を提供します。さらに、電子鼻の結果は、他の技術 (感覚パネル、GC、GC/MS ) から得られた結果と相関させることができます。結果の分析には、多くのデータ解釈システムが使用されます。これらのシステムには、人工ニューラル ネットワーク(ANN)、^[19] ファジー ロジック、ケモメトリックス手法、^[20]パターン認識モジュールなどが含まれます。 ^[21]人工ニューラル ネットワーク (ANN) を含む人工知能は、環境臭気管理の重要な技術です。^[22]

最初のステップとして、電子鼻は、基準データベースを構築するために、適格なサンプルでトレーニングされる必要がある。次に、機器は、揮発性化合物の指紋をデータベースに含まれるものと比較することにより、新しいサンプルを認識できる。このようにして、定性的または定量的な分析を実行できる。ただし、多くの匂いは複数の異なる分子で構成されているため、デバイスがそれらを異なる化合物として登録して誤って解釈し、鼻の主な機能に応じて不正確な結果をもたらす可能性があるため、問題が発生する可能性もあります。^[23] e-noseデータセットの例も利用できます。^[24]このデータセットは、e-nose信号処理、特に肉質研究の基準として使用できます。このデータセットの2つの主な目的は、多クラスの牛肉分類と回帰による微生物群集予測です。

電子鼻器具は、研究開発研究所、品質管理研究所、プロセスおよび生産部門でさまざまな目的で使用されています。

• 原材料、中間製品、最終製品の適合性
• バッチ間の一貫性
• 汚染、腐敗、混入の検出^{[25] [26]}
• 原産地またはベンダーの選択
• 保管条件のモニタリング^[27]
• 肉質のモニタリング。^{[28] [29]}

• 原材料の変動性の管理
• 基準製品との比較
• 製造プロセスが製品に与える影響の測定と比較
• 定置洗浄プロセスの効率化のフォローアップ
• スケールアップ監視
• 定置清掃監視。

• さまざまな配合やレシピの官能プロファイリングと比較
• 競合製品のベンチマーク
• プロセスまたは成分の変更が感覚特性に与える影響の評価。

• 危険で有害な細菌の検出。例えば、MRSA（メチシリン耐性黄色ブドウ球菌）の匂いを認識するために特別に開発されたソフトウェアなど。^[30]また、メチシリン感受性黄色ブドウ球菌（MSSA）をはじめ、多くの物質を認識することができます。病院の換気システムに慎重に設置すれば、他の患者や機器への感染性の高い病原体の汚染を検出し、防止できると考えられています。
• 病状を示すVOC（揮発性有機化合物）を検出することにより、肺がんやその他の病状を検出する。 ^{[31] [32] [33]}
• COPD 増悪におけるウイルスおよび細菌感染の検出^[34 ]
• 食品の品質管理には、食品の包装に便利に入れて、食品が腐り始めたことを明確に示したり、現場で細菌や昆虫の汚染を検出するために使用したりできます。^[35]
• 鼻インプラントは、嗅覚障害や嗅覚の弱い人に対して、天然ガスの存在を警告することができる。
• ブレイン・マッピング財団は、電子鼻を使って脳腫瘍細胞を検出した。^{[36] [37] [38] [39] [40] [41]}

• 電子鼻は無臭の匂いを検知できるため、警察犬を混乱させる可能性のある他の空気中の匂いがあるにもかかわらず爆弾の匂いを検知するなど、警察での使用に最適です。
• また、空港での麻薬検出法としても使用される可能性があります。電子鼻を慎重に複数設置し、効果的なコンピュータ システムを使用することで、数秒以内に麻薬の位置を数メートル以内の精度で三角測量することができます。
• 爆発物から放出される蒸気を検知する実証システムは存在するが、現時点では、十分に訓練された探知犬に比べるとかなり遅れている。

• 空気、水、土壌サンプル中の揮発性有機化合物の同定に使用します。^{[42] [43]}
• 環境保護のため。^{[44] [45]}

さまざまなアプリケーションノートで、香料や芳香剤、食品や飲料、包装、医薬品、化粧品や香水、化学会社などの分野での分析について説明されています。最近では、現場のデバイスのネットワークを使用して嗅覚障害を監視するという点で、公衆の懸念にも対処できます。^{[46] [47]} 現場での排出率は発生源によって大きく変わる可能性があるため、電子鼻は変動や傾向を追跡し、状況をリアルタイムで評価するためのツールを提供できます。^[48]これにより、重要な発生源に対する理解が深まり、積極的な臭気管理が可能になります。リアルタイムモデリングによって現在の状況が提示されるため、オペレーターはどの期間と条件で施設が危険にさらされているかを理解できます。また、既存の商用システム^[49]は、設定ポイント（受容体/アラートポイントでモデル化された臭気濃度、または鼻/発生源での臭気濃度）に基づいてアクティブアラートを発し、適切な措置を開始するようにプログラムできます。

• 化学電界効果トランジスタ
• ケミレジスタ
• 電子皮膚
• 電子舌
• 変動強化センシング
• 機械嗅覚
• 嗅覚計

• Dutta, Ritaban; Dutta, Ritabrata (2006 年 12 月) 。「病院環境における耳鼻咽喉科感染分類のためのインテリジェント ベイズ分類器 (IBC)」。BioMedical Engineering OnLine。5 ( 1): 65。doi : 10.1186 /1475-925X  - 5-65。PMC 1764885。PMID 17176476。 
• NASAの研究者は宇宙探査用に極めて感度の高い人工鼻を開発している
• 電子鼻による細菌検出に関するBBCニュース