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仿生電子鼻如何模擬嗅覺?
 
 
 
人類嗅覺如何運作
 
我們的嗅覺是依靠位於鼻腔中的嗅覺組織,其中特殊的嗅覺受體細胞,能傳遞氣味分子的化學訊號轉換為電波訊號,並透過嗅球傳遞至腦部,幫助腦部進行嗅覺解析,而大腦皮質會將這些氣味分別進行歸檔整理,因此能夠產生對於各種氣味的記憶。例如,當我們聞到食物腐敗的氣味時,大腦會對比於新鮮食物的氣味記憶,使我們可以確認氣味的異同。
 
電子鼻感測的科學原理
 
電子鼻是近年來迅速發展起來的研究領域,為可模擬人類感官分析之電子分析軟體。起源1982年於英國Warwick大學的Persaud和Dodd模擬哺乳動物嗅覺系統的結構及原理,提出了以感測器矩陣技術為基礎的電子鼻,才讓這些主觀的感覺有了科學化的基礎。
圖片說明:左側是偵測氣體的感測器主體,在右側平板上可顯示分析結果(圖片來源:撰稿團隊提供)
▲圖片說明:左側是偵測氣體的感測器主體,在右側平板上可顯示分析結果(圖片來源:撰稿團隊提供)
國立清華大學電機系鄭桂忠教授研究電子鼻10餘年,鄭教授介紹電子鼻的應用原理,他在晶片表面塗上一層含碳的高分子材料,這是模擬我們的嗅覺受體細胞;當高分子接觸到氣體時,高分子就會膨脹變大,改變了高分子原先的電阻。
圖片說明:可替換電阻式感測陣列晶片(圖片來源:撰稿團隊提供)
▲圖片說明:可替換電阻式感測陣列晶片(圖片來源:撰稿團隊提供)
在感測器矩陣中配置8~9種不同的高分子材料晶片感測器,當不同成分的氣味分子接觸到感測器陣列時,會使每個感測器產生程度不同的電阻變化,不同氣體及濃度會讓陣列中各感測器產生不同的電阻數據,透過統計分析與預先建立的資料庫比對出氣體的種類,最後透過電子螢幕及圖像顯示,如此便成為該氣味獨特的電阻組合圖,就像不同的氣體有不同的身分辨識的指紋圖。
圖片說明:常見肺炎細菌指紋圖(圖片來源:清大電機系鄭桂忠教授實驗室提供)
▲圖片說明:常見肺炎細菌指紋圖(圖片來源:清大電機系鄭桂忠教授實驗室提供)
 
電子鼻的應用範圍
 
電子鼻的技術特色為檢測速度快,重複性好,還能檢測一些人鼻不能檢測的氣體,又可以避免人為誤差,所以可應用的範圍非常廣泛。例如食品工業用作食品保存監控及風味鑑定;環境保護方面可用作監測汽機車廢氣、工業廢氣等有害氣體;在軍事上用於毒性氣體監測等。
 
近年來電子鼻技術延伸應用在疾病的快篩檢測上,如同中醫診斷方式望、聞、問、切的「聞」來診斷。例如肺炎病患可能是由不同的細菌引發感染,因為細菌的新陳代謝也會產生氣體,因此不同種類細菌感染引發的肺炎,病人呼出的氣味也會有差異,透過電子鼻快速篩檢出可能的細菌類型,便可提供醫療人員在病人發病初期作選擇藥物的參考,可提高投藥的準確率,比一般透過細菌培養確認病菌需耗費4~5天的時間更有效率得多。最新的研究顯示,未來醫生可以讓病人利用電子鼻作簡單的呼吸測試,就可以篩檢出肺癌。
 
(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)
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