จมูกอิเล็กทรอนิกส์
ความนิยมของผู้ชม: / 6
แย่มากดีมาก 

 

รู้จักกับจมูกอิเล็กทรอนิกส์

บุญรักษ์  กาญจนวรวณิชย์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

   การรับรู้กลิ่นเป็นความรู้สึกเมื่อมีโมเลกุลของสารส่งกลิ่นหรือไอระเหยจากสารชนิดต่างๆ มาสัมผัสอวัยวะรับรู้กลิ่น โดยกลิ่นอาจเกิดจากโมเลกุลของก๊าซชนิดเดียว หรือก๊าซหลายชนิดผสมรวมกันก็ได้ และเป็นหนึ่งในรสสัมผัสที่มนุษย์รู้จักใช้ประโยชน์หลายอย่างด้วยกัน เช่น ใช้ปรุงแต่งกลิ่นกาย ใช้จำแนกอาหารดีกับอาหารบูด ใช้บอกความสุกงอมของผลไม้ ใช้บอกถึงการรั่วไหลของสารเคมี และอื่นๆ แต่อย่างที่ทราบกันว่าจมูกมนุษย์มีขีดจำกัดในการใช้งาน เช่น จมูกสามารถดมกลิ่นได้บางกลิ่น ประสิทธิภาพการดมกลิ่นขึ้นกับสุขภาพเจ้าของจมูก ไม่เหมาะสำหรับดมกลิ่นสารพิษต่างๆ เป็นต้น
   เมื่อจมูกมนุษย์มีข้อจำกัดในการใช้งาน จึงต้องอาศัยเครื่องมือที่สามารถระบุกลิ่นหรือก๊าซที่เรียกว่า จมูกอิเล็กทรอนิกส์ (electronic nose) หรืออีโนส (enose) ซึ่งถูกออกแบบและสร้างเพื่อตรวจสอบ และจดจำกลิ่นหรือก๊าซต่างๆ ได้คล้ายการทำงานของจมูกมนุษย์ ทั้งนี้จุดเด่นของการใช้จมูกอิเล็กทรอนิกส์เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีวิเคราะห์องค์ประกอบเคมีวิธีอื่นคือ เป็นอุปกรณ์ใช้ง่าย รู้ผลการตรวจเร็ว และบอกข้อมูลเชิงคุณภาพของกลิ่นที่สนใจได้ถูกต้อง เป็นต้น

หลักการทำงาน
 


ความต่างของรูปแบบสัญญาณไฟฟ้าในสารแต่ละชนิด


   จมูกอิเล็กทรอนิกส์มีส่วนประกอบหลัก 2 ส่วน ส่วนแรกคือ เครื่องมือและอุปกรณ์ที่เป็นฮาร์ดแวร์ (hardware) ซึ่งประกอบด้วยเซนเซอร์รับกลิ่นหรือก๊าซหรือไอระเหย ระบบส่งข้อมูล และระบบจัดเก็บข้อมูล และส่วนที่สองคือ โปรแกรมรับ บันทึก และประมวลผลข้อมูลซึ่งเป็นซอฟแวร์ (software)
การทำงานเริ่มจาก เมื่อเซนเซอร์หรือส่วนรับกลิ่นของจมูกอิเล็กทรอนิกส์เกิดปฏิกิริยากับกลิ่นที่ผ่านเข้ามา โดยส่วนรับกลิ่นประกอบด้วยเซนเซอร์หลายชนิด เซนเซอร์แต่ละชนิดจะตอบสนองต่อกลิ่นหรือก๊าซชนิดเดียวกันแตกต่างกัน เมื่อการตอบสนองไม่เหมือนกัน เซนเซอร์แต่ละชนิดจึงส่งสัญญาณไฟฟ้าออกไปต่างกัน ความแตกต่างของสัญญาณไฟฟ้าทำให้เกิดรูปแบบสัญญาณไฟฟ้าเฉพาะ เมื่อเปลี่ยนกลิ่นหรือชนิดสารให้กลิ่นใหม่จะได้ชุดสัญญาณไฟฟ้าเฉพาะอีกแบบที่ต่างออกไป โดยสามารถใช้ซอฟแวร์บันทึก และจัดเก็บรูปแบบสัญญาณไฟฟ้าต่างๆ ไว้ในหน่วยความจำเพื่อใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงในการทำงานจริงต่อไป
   การนำจมูกอิเล็กทรอนิกส์ไปใช้ตรวจหากลิ่นหรือก๊าซที่สนใจ ก็คือการเปรียบเทียบชุดข้อมูลสัญญาณไฟฟ้าต่างๆ ที่อยู่ในหน่วยความจำ กับชุดข้อมูลสัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากชุดเซนเซอร์ ณ เวลานั้นว่า มีลักษณะเหมือนหรือแตกต่างกันเพียงใด

หัวใจระบบ: เซนเซอร์รับกลิ่น
   หัวใจของจมูกอิเล็กทรอนิกส์คือ เซนเซอร์รับกลิ่นจำนวนตั้งแต่ 5-100 ตัวที่ทำหน้าที่แปลงสัญญาณกลิ่นหรือก๊าซที่เป็นโมเลกุลก๊าซให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถตรวจวัดและบันทึกได้ ซึ่งเซนเซอร์รับกลิ่นส่วนใหญ่ทำจากวัสดุ 4 ประเภทคือ


 หน้าตาเซนเซอร์ชนิดโลหะออกไซด์

1.สารโลหะออกไซด์ (Metal Oxide) เช่น ทินออกไซด์ (SnO2) ซิงค์ออกไซด์ (ZnO2) ฯลฯ การทำงานของเซนเซอร์อาศัยการเปลี่ยนแปลงค่าการนำไฟฟ้าหรือความต้านทานไฟฟ้าของสาร เมื่อจับกับโมเลกุลกลิ่นหรือก๊าซ ลักษณะพิเศษของหัวเซนเซอร์ประเภทนี้คือ มีการติดอุปกรณ์ให้ความร้อนเพื่อกำจัดโมเลกุลกลิ่นหรือก๊าซออกจากเซนเซอร์
      จุดเด่นคือ เซนเซอร์มีราคาถูก มีอายุการใช้งานยาว สามารถใช้ในที่มีความชื้นได้ และมีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ไม่ซับซ้อน
      จุดด้อยคือ ตัวเซนเซอร์มีความไวปานกลางสามารถตรวจวัดกลิ่นหรือก๊าซที่มีความเข้มข้นระดับ 5-500 ppm จำเป็นต้องใช้ในสภาวะอุณหภูมิสูง สามารถตรวจจับกลิ่นหรือก๊าซบางชนิด กินไฟมาก

2.โพลิเมอร์นำไฟฟ้า (Conducting Polymer) เช่น โพลิไพร์โรล (polypyrrole) โพลิอะนิลีน (polyanilene) เป็นต้น เซนเซอร์ใช้ฟิล์มโพลิเมอร์กึ่งนำไฟฟ้า (semiconductor polymer) ที่ดูดซับโมเลกุลเฉพาะอย่างได้ เมื่อฟิล์มโพลิเมอร์ดูดซับโมเลกุลกลิ่นหรือก๊าซเข้าไปจะบวมหรือพอง ทำให้ปริมาตรเปลี่ยนแปลงและมีผลให้ค่าความต้านทานไฟฟ้าเปลี่ยนด้วย ซึ่งสามารถวัดความเปลี่ยนแปลงได้ โดยทั่วไปรูปร่างแผ่นฟิล์มสามารถเปลี่ยนแปลงย้อนกลับได้ อย่างไรก็ตามเนื้อฟิล์มอาจเกิดความเสียหาย หากใช้ในสภาพแวดล้อมที่โมเลกุลกลิ่นหรือก๊าซเข้มข้นมาก
      จุดเด่นของเซนเซอร์ชนิดนี้คือ สามารถใช้งานที่อุณหภูมิห้อง ใช้งานได้หลากหลาย ตัวเซนเซอร์มีความไวสูงสามารถตรวจวัดโมเลกุลที่มีความเข้มข้นระดับ 0.1-100 ppm ได้ มีความเสถียร 
      จุดด้อยคือ ไม่เหมาะกับการใช้ในที่มีความชื้นสูงเพราะฟิล์มโพลิเมอร์ดูดซับไอน้ำได้ดี และหากไม่สามารถขจัดโมเลกุลกลิ่นหรือก๊าซออกจากฟิล์มหมดจะมีผลให้ค่าความต้านทานไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าเปลี่ยนไปจุดอ้างอิงเดิม  

หน้าตาเซนเซอร์จากผลึกควอตซ์


3.แมสเซนซิทีฟเพียโซอิเล็กทริก (Mass Sensitive Piezoelectric) เซนเซอร์ชนิดนี้ทำจากผลึกควอตซ์ (quartz) หรือวัสดุเพียโซอิเล็กทริก (เป็นวัสดุที่มีสมบัติพิเศษ เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปในตัวแล้ววัสดุจะเกิดการสั่น) เคลือบทับด้วยแผ่นเมมเบรน (membrane) ที่เลือกจับเพียงไอระเหยสารบางชนิด การทำงานของเซนเซอร์อาศัยการเปลี่ยนแปลงความถี่เรโซแนนซ์ (resonance) ของผลึกควอตซ์เมื่อมวลเปลี่ยนแปลง โดยเมื่อโมเลกุลก๊าซหรือกลิ่นลอยมากระทบแผ่นเมมเบรน มันจะถูกดูดซับเข้าไปทำให้มวลวัสดุ (ผลึกควอตซ์กับเมมเบรน) เพิ่มขึ้นเป็นผลให้ค่าความถี่เรโซแนนซ์ (resonance frequency) เปลี่ยนไปจากเดิมซึ่งตรวจวัดได้
จุดเด่นคือ เซนเซอร์มีความไว และมีความสามารถในการคัดแยก (selectivity) สูง สามารถใช้ในที่มีความชื้นสูงได้
จุดด้อยคือ อุปกรณ์ไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
 


เครื่องแมสสเปกโตรมิเตอร์


4.แมสซีเล็คตีฟเซนเซอร์ (Mass Selective Sensor) เป็นเซนเซอร์ที่ใช้เทคโนโลยีแบบเดียวกับเครื่องมือวิเคราะห์ชื่อ แมสสเปกโตรมิเตอร์ (mass spectrometer) 
      จุดเด่นคือ สามารถวิเคราะห์ได้ทั้งปริมาณและชนิดขององค์ประกอบ เหมาะสำหรับงานวิจัย
      จุดด้อยคือ เครื่องมือมีราคาแพง ผู้ใช้งานต้องมีความรู้และความชำนาญในการใช้เครื่อง
 


ตัวอย่างการทดลองหาเมทิลแอลกอฮอล์ในเหล้าขาว
(ภาพจากการวิจัยจมูกอิเล็กทรอนิกส์ของ ดร.สมบุญ สหสิทธิวัฒน์)

การใช้จมูก
   การใช้จมูกอิเล็กทรอนิกส์เริ่มจากนำจมูกอิเล็กทรอนิกส์มาสอนให้รู้จัก และจดจำตัวอย่างกลิ่นที่ต้องการทดสอบก่อน ตัวอย่างเช่น หากต้องการใช้จมูกอิเล็กทรอนิกส์เพื่อตรวจหาเมทิลแอลกอฮอล์ในเหล้าขาว จะต้องนำตัวอย่างเมทิลแอลกอฮอล์ และเอทิลแอลกอฮอล์มาให้จมูกอิเล็กทรอนิกส์ “ดม” เพื่อรู้จักกลิ่นสารทั้งสองชนิดก่อน จากนั้นทดลองนำเหล้าขาว (เถื่อน) มาให้จมูกอิเล็กทรอนิกส์ดม หากในเหล้าขาวไม่มีเมทิลแอลกอฮอล์ผสมอยู่ จมูกอิเล็กทรอนิกส์จะแสดงผลว่า ในเหล้ามีเฉพาะเอทิลแอลกอฮอล์ แต่หากในเหล้าขาวมีเมทิลแอลกอฮอล์ (ซึ่งไม่ควรมี) จมูกอิเล็กทรอนิกส์จะแสดงผลว่า พบทั้งเอทิลแอลกอฮอล์และเมทิลแอลกอฮอล์ ได้ในเวลาอันสั้น
 


การแสดงผลแบบกราฟฟิก – กลิ่นสารชนิดเดียวกันจะปรากฏในตำแหน่งใกล้กัน
(ภาพจากการวิจัยจมูกอิเล็กทรอนิกส์ของ ดร.สมบุญ สหสิทธิวัฒน์)

การประยุกต์ใช้
   ความน่าสนใจของจมูกอิเล็กทรอนิกส์คือ เป็นอุปกรณ์ที่นำมาประยุกต์ใช้ได้หลากหลายอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับกลิ่นไม่ว่าจะเป็นอุตสาหกรรมการผลิตอาหาร เครื่องดื่ม ยา สารเคมี เครื่องสำอาง น้ำหอม โดยสอดแทรกเป็นส่วนหนึ่งของตัวอย่างกระบวนการเหล่านี้
   - ตรวจสอบคุณภาพวัตถุดิบก่อนผลิต ระหว่างการผลิต และผลิตภัณฑ์สุดท้าย
   - ใช้คัดเกรดคุณภาพวัตถุดิบ
   - ตรวจกลิ่นเพื่อเปรียบเทียบกับกลิ่นมาตรฐาน
   - ตรวจหาการปนเปื้อน หรือสารเจือปนแปลกปลอมในสินค้า
   - การปรุงแต่งกลิ่น หรือการเลียนแบบกลิ่น
    นอกจากนี้ยังนำอุปกรณ์มาประยุกต์ใช้ในเชิงสิ่งแวดล้อมอย่างการตรวจกลิ่นน้ำ หรืออากาศเสีย หรือใช้งานด้านความปลอดภัยอย่างการดมกลิ่นสารต้องห้ามและวัตถุระเบิด

จมูกอิเล็กทรอนิกส์ฝีมือไทย
   เมื่อจมูกอิเล็กทรอนิกส์สามารถประยุกต์ใช้งานได้หลากหลายเช่นนี้ ดร.สมบุญ สหสิทธิวัฒน์ และทีมวิจัยของศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติจึงดำเนินการพัฒนาจมูกอิเล็กทรอนิกส์ต้นแบบขึ้นทั้งในส่วนฮาร์ดแวร์และซอฟท์แวร์ โดยส่วนของเซนเซอร์รับกลิ่นพัฒนาจากวัสดุ 2 ประเภทคือ 1.โพลิเมอร์ทั่วไปผสมเขม่าดำ 2.โพลิเมอร์นำไฟฟ้า สำหรับส่วนของซอฟแวร์ทีมวิจัยเลือกใช้ระบบประมวลผลข้อมูลด้วยวิธีที่เรียกว่า “การจดจำรูปแบบ” ซึ่งสามารถแสดงผลได้ทั้งในลักษณะภาพกราฟฟิกและตัวเลข เครื่องจมูกอิเล็กทรอนิกส์ต้นแบบที่พัฒนาขึ้นนี้สามารถใช้งานได้ทั้งแบบตั้งโต๊ะสำหรับห้องปฏิบัติการ และแบบเคลื่อนที่ได้เพื่อปฏิบัติงานนอกสถานที่

แหล่งข้อมูลอ้างอิง
“จมูกแท้ vs จมูกเทียม” อันไหนเยี่ยมกว่ากัน? ดร.สมบุญ สหสิทธิวัฒน์ วารสารเทคโนโลยีวัสดุ ฉบับที่ 48 กรกฎาคม-กันยายน 2550
http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_nose
http://ezinearticles.com/?What-is-Electronic-Nose?&id=1037705
http://www.db-alp.admin.ch/de/publikationen/docs/pub_AmpueroS_2003_15461.pdf
http://www.observatorynano.eu/project/document/890/
http://www.scf-online.com/english/33_e/electronicnoses33_e.htm

หมายเหตุ สำหรับอุปกรณ์ที่ถูกออกแบบมาเพื่อตรวจจับก๊าซบางชนิดโดยเฉพาะ เช่น เครื่องตรวจจับควัน (smoke detector) เครื่องตรวจวัดก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (carbon monoxide, CO) ไม่นับเป็นจมูกอิเล็กทรอนิกส์

 

 


Views: 7199

Be first to comment this article

Only registered users can write comments.
Please login or register.

Powered by AkoComment Tweaked Special Edition v.1.4.6
AkoComment © Copyright 2004 by Arthur Konze - www.mamboportal.com
All right reserved

 
< ก่อนหน้า   ถัดไป >

Statistics

สถิติผู้เยี่ยมชม: 49648356

Who's Online

ขณะนี้มี 2 บุคคลทั่วไป ออนไลน์