11.6.2019
Elektroniska näsor, sensorsamlingar som imiterar det mänskliga luktsinnet har varit i bruk sedan början av 1980-talet. En svårighet har varit att utveckla sensorer med rätt sorts känslighet och sedan ha den rätta metoden för att tolka den sensordata man får ut. Ett annat problem är att utrustningen varit otymplig. Tan Phat Huynh är medlem i ett internationellt forskarteam vars arbete med sensorsamlingen OSHA publicerats i den internationellt ansedda tidskriften Nature.
Intelli-sense, en anspelning på intelligens och känsla, är en form av elektronisk sensorisk utrustning som kan användas inom sjukvård, säkerhet, matsäkerhet, miljöövervakning, internet of things, och andra områden där man vill avläsa omgivningen. Till Intelli-sense hör ett nätverk av sensorer som kan känna av miljön, och helst många olika aspekter av miljön på samma gång.
Tan Phat Huynh, tenure track-forskardoktor vid forskningsprofilen molekylär process- och materialteknologi vid Åbo Akademi, jobbar med ett internationellt forskningsteam som utvecklat något som sorterar inom Intelli-sense och kallas OSHA: Origami Hierarchical Sensor Array – en sensorsamling som printas som ett bläck på ett hopvikbart papper. Det nya med OSHA är både sensorernas mångfald, känslighet, litenhet och relativt låga kostnad.
För att få något grepp om vad det är frågan om kan man först ställa sig frågan vad en sensor är. Ett svar är att en sensor är ett system, likt våra fem sinnen, som reagerar och förmedlar information om ett yttre förhållande. Våra sinnen är passiva sensorer i meningen att de inte sänder ut någon signal till det som detekteras. En aktiv ”sensor” hos ett djur finns till exempel hos fladdermusen. Den frambringar ultraljud som studsar mot omgivningen. Ekot fångas upp av fladdermusens öron, tolkas omedelbart av fladdermusens hjärna och ger djuret en uppfattning om rummet omkring den. Våra mänskliga sinnen reagerar dock bara på den stimuli omgivningen ger dem. Huden reagerar till exempel på värme och beröring, öronen känner av vibrationer i lufttrycket, ögonen registrerar växlingar i ljus, näsan och tungan känner igen lättflyktiga kemiska föreningar.
När man talar om elektroniska sensorer – och vad det gäller Tan Phat Huynhs forskning kommer vi enbart att beskriva passiva sensorer – kan man tänka sig att vilket som helst material som på något sätt reagerar på sin omgivning kan användas i en sensor.
Ett exempel på en enkel sensor är den gamla och numera förbjudna kvicksilvertermometern som använder det värmekänsliga ämnet kvicksilver i en genomskinlig glasbehållare där kvicksilvret kraftigt drar ihop sig eller expanderar beroende av temperatur. Reaktionen är kalibrerad mot en numrerad skala som kvicksilvret rör sig bredvid. När lufttemperaturen omkring kvicksilvret ligger vid vattnets fryspunkt är termometern kalibrerad att visa noll grader Celsius.
– Den typ av sensor, eller samling av sensorer som vi försökt konstruera är vad som kunde kallas en ”elektronisk näsa”. Vi försöker imitera egenskaperna hos det mänskliga luktsinnet, säger Tan Phat Huynh.
– Det gör vi genom att utveckla en samling sensorer kopplade till ett intelligent mönsterigenkänningssystem för att upptäcka ”odörer”, det vill säga VOC:er (volatile organic compunds) – lättflyktiga organiska föreningar som frigörs från en människa när hon till exempel andas.
Möjligast känsliga sensorer
I en sjukvårdstillämpning av systemet vill man reda ut hur en frisk persons lättflyktiga organiska föreningar skiljer sig från en lungcancersjuk persons avsöndringar. Utgångspunkten är att en frisk och en sjuk person avsöndrar olika typer av odörer. Vad Tan Phat Huyhns grupp vill åstadkomma är möjligast känsliga sensorer och en smart metod att tolka de sensordata man får ut.
Ett första problem med att analysera en människas andedräkt eller hela kropp på dess lättflyktiga organiska föreningar är att man måste ha en bestämd uppfattning om vad det är man letar efter och vilken typ av ämnen som kan tänkas reagera på de mikroskopiska mängder organiska föreningar som utsöndras i en andedräkt eller av en kropp. Man måste alltså hitta en motsvarighet till kvicksilvret som reagerar på vissa organiska föreningar istället för temperatur.
Tan Phat Huynhs grupp har experimenterat med en grafendopaminkomposit. Grafen har en mycket hög ledningsförmåga (ämnet leder alltså elektricitet mycket bra) och dopaminet gör att grafenet fäster där man vill. Grafendopaminkompositen kan skrivas ut på papper där den används som ett elektroniskt motstånd, vilket gör att man kan skriva ut ett antal grafendopaminkompositmotstånd på ett papper som man viker ihop som origami och därmed får man en mycket kompakt och lätt sensorsamling.
En motståndssensor är en sensor som man leder el igenom. I det här fallet leder man alltså el genom den utskrivna grafendopaminkompositen, och genom att låta grafendopaminkompositen komma i kontakt med olika ämnen – till exempel lättflyktiga organiska föreningar – förändras ledningsförmågan. Det är ledningsförmågan som registreras och det gör man genom att mäta vilken spänning som går in i motståndet och vilken spänning som kommer ut. Grafen leder elektricitet mycket bra och dess ledningsförmåga har en stor känslighet för variationer i kemikalier som den kommer i beröring med.
– Ju känsligare sensorn är desto bättre. Här kan man påtala skillnaden mellan en hunds nos och en människas näsa. Varför är hunden så mycket bättre på att känna och särskilja olika odörer? Ett svar är att hundens nos har betydligt fler receptorer än människans näsa har. Men hunden måste också utbildas för att den ska reagera på de odörer man vill att den ska reagera på. Förvandlat till vårt projekt betyder det att vi vill ha många sensorer och det som jag redan nämnde, ett smart sätt att tolka dessa sensordata.
Här kan man påtala skillnaden mellan en hunds nos och en människas näsa. Varför är hunden så mycket bättre på att känna och särskilja olika odörer? Ett svar är att hundens nos har betydligt fler receptorer än människans näsa har. Men hunden måste också utbildas för att den ska reagera på de odörer man vill att den ska reagera på.
Ett första steg är att genom experiment skapa ett register eller ett bibliotek över hur olika ämnen påverkar spänningen i grafendopaminkompositen. Olika temperaturer och olika grad av fuktighet ger olika värden, vilket också behöver tas i beaktande. Ett problem med de lättflyktiga organiska föreningarna som en människa avsöndrar är att det inte är ett enda ämne som kommer i kontakt med sensorn utan ett otal ämnen som bildar en signatur, eller ett fingeravtryck – vilket ger en komplex bild som man måste ha många olika sensorer med olik känslighet för att kunna registrera.
Tan Phat Huynhs del i projektet har varit att arbeta med tolkningen av sensordata och särskilt särskiljningen av olika isomerer.
– Ett fenomen vi stötte på var att vår sensor när man lät det reagera med ämnet xylen kunde särskilja de tre olika xylenisomererna. Men vi visste inte hur den kunde göra det. För att förstå varför gjorde vi en molekylmodell av xylenet som reagerar med grafen. Här måste jag förenkla, men det vi såg var att de olika xylenisomererna hade olika ”energi” och det var det vi såg i den rådata som kom genom sensorerna.
Xylen är en kemikalie som används av industrin. Xylen har tre olika isomerer: ortoxylen, metaxylen och paraxylen. Varför det är anmärkningsvärt att sensorn kände skillnaden på de tre olika isomererna ligger i begreppet vad en isomer är: en isomer är fenomenet att olika kemiska föreningar kan ha samma molekylstruktur vilket gör ämnena svåra att särskilja. Det som skiljer en kemisk förening från en annan när det gäller olika isomerer är att de olika grundämnena som utgör molekylen binder på olika ställen. Att med en sensor tryckt på papper upptäcka skillnaden mellan de olika xylenisomererna kräver alltså att sensorn är oerhört känslig. Varför det är relevant att upptäcka skillnaden mellan orto-, meta-, och paraxylen är att vissa versioner kan vara giftiga i vissa omständigheter och koncentrationer, medan andra är ofarliga. Att veta vilken typ av xylen man har att göra med kan till exempel vara intressant i analysen av utsläpp från en fabrik.
– Jag tar den råa data som kommer från sensorerna och kör dem genom principkomponentanalys och där fördelar sig den sensordata vi fått in på ett sätt som ger oss ett fingeravtryck.
För att analysera odörers ”fingeravtryck” behövs mönsterigenkänningssystem som registrerar den karaktäristiska signaturen en hos en odör. För att hitta mönstren använder sig Tan Phat Huynh alltså av principkomponentanalys som är en matematisk metod som gör att data fördelar sig på en x- och y-axel som i ett koordinatsystem och det presenterar i sin tur den data man fått ut som en grafisk representation som gör att man ser mönster. Och genom att analysera dessa mönster får man alltså fram ”fingeravtrycket” på olika odörer.
– Målet är att utveckla en intelligent sensorapparat för att samtidigt känna igen och särskilja komplexa fysiska och kemiska stimuli, hit hör bland annat temperatur, relativ fuktighet, ljus och lättflyktiga organiska föreningar. För att det behöver vi ett stort antal fungerande sensoriska material och mycket arbete med mönsterigenkänningen.
En sådan apparat har en mängd tillämpningsområden och stor kommersiell potential.
Skillnaden mellan den elektroniska näsan och säkerhetssensorerna på en flygplats
Vid säkerhetskontrollen vid ett flygfält tar man ofta sampel från passagerares väskor, kläder och hud. Ibland finns det skåp med fläkt som suger upp de ämnen som är lättflyktiga kring eller på en passagerare. Analysmetoden är dock inte densamma som den Tan Phat Huynh utvecklar. På flygplatser körs samplen genom en infraröd spektrometer, det vill säga samplen belyses med ett infrarött ljus. Olika kemiska föreningar absorberar infraröd strålning på olika våglängd och genom att på förhand veta hur vissa kritiska substanser absorberar den infraröda strålningen kan man bestämma om det i samplet finns spår av till exempel sprängämnen eller förbjudna droger.
Det andra alternativet för en snabb kemisk analys på flygplatser går att vidta om man hittar en tillräckligt stor mängd oidentifierbart pulver: då kan man helt enkelt hälla pulvret i en genomskinlig plastpåse med relevant reaktiv vätska som kommer att få en bestämd färg beroende på vilket ämne det är frågan om. Säg grönt för kokain.