Mũi điện tử có thể phân biệt nhiều mùi bạc hà

Để đạt được việc phân biệt các mùi bạc hà một cách chính xác, nhanh chóng và khách quan, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) đã thực hiện một nghiên cứu hợp tác liên ngành và phát triển một mũi điện tử với một khứu giác nhân tạo.

Mũi điện tử này đã được độ chính xác cao trong ghi nhận những loài bạc hà khác nhau, cơ sở để tạo ra một công cụ phù hợp cho một phạm vi những ứng dụng rộng lớn, từ kiểm soát chất lượng dược phẩm đến giám sát dầu bạc bà như một loại thuốc diệt cỏ sinh học thân thiện với môi trường.

“Từ trước đến nay, các nhà khoa học đã có thể nhận diện được khoảng 100.000 hợp chất sinh học khác hau thông qua việc những cây gần nhau tương tác với nhau hoặc kiểm soát các loài sinh vật khác như côn trùng”, giáo sư Peter Nick của Viện Thực vật KIT nói. “Các hợp chất đó rất tương đồng trong những cây cùng chi”. Một ví dụ cổ điển từ thực vật trên thế giới là bạc hà, nơi các giống khác nhau tạo ra những mùi hương vô cùng đặc trưng cho loài.

Việc kiểm soát chất lượng dầu bạc hà trong ngành công nghiệp phải tuân theo những quy định pháp luật nghiêm ngặt để ngăn ngừa việc pha trộn rất tốn thời gian và đòi hỏi chuyên gia giàu kinh nghiệm, ông giải thích. Một “mũi điện tử” được trang bị với các cảm biến được làm từ những vật liệu kết hợp để hỗ trợ quá trình này. Các nhà nghiên cứu từ Viện Thực vật, Viện Các mặt liên kết chức năng (IFG), Viện Công nghệ Vi cấu trúc (IMT), và Viện Công nghệ ánh sáng (LTI) của KIT hợp tác phát triển và thử nghiệm các cảm biến đó với sáu loài bạc hà khác nhau.

Mũi điện tử hình thành trên cơ sở mô hình sinh học

Trong sự phát triển của mũi điện tử, toàn bộ nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình sinh học này: các tế bào khứu giác, vốn tham gia vào quá trình vận chuyển thông tin của con người lên não thông qua các xung điện, được thay thế bằng 12 cảm biến QCM đặc biệt (vi cân tinh thể thạch anh). Những cảm biến này bao gồm hai điện cực được trang bị bằng một tinh thể thạch anh. Các hợp phần này có thể được tìm thấy trong các điện thoại di động vì nhờ chúng mà điện thoại di động có được các tần số với độ chính xác cao với mức chi phí thấp.

“Các mùi hương bạc hà được ‘ghim’ lại trên bề mặt các cảm biến. Điều này làm thay đổi tần số cộng hưởng của chúng và chúng ta có thể có một tương tác tương ứng với từng mùi”, giáo sư Christof Wöll của IFG giải thích. Các mùi hương bao gồm các phân tử hữu cơ trong các hợp chất khác nhau. Để các cảm biến mới có thể hấp thụ được các phân tử đó, các nhà nghiên cứu IFG sử dụng các vật liệu tạo ra 12 cảm biến đặc biệt, bao gồm các vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) do chính IFG phát triển. “Các vật liệu này có nhiều lỗ và phù hợp một cách hoàn hảo với các ứng dụng làm cảm biến bởi chúng ta có thể hấp thụ nhiều loại như một lỗ xốp”, Wöll nói. “Bằng việc kết hợp các cảm biến với những vật liệu khác, chúng tôi đã tạo ra những gì có thể gọi là một mạng thần kinh”.

Sử dụng học máy để huấn luyện mũi điện tử với sáu loài bạc hà

Các nhà khoa học thử nghiệm mũi điện tử với sáu loài bạc hà khác nhau – bao gồm cây bạc hà cay cổ điển (peppermint), bạc hà lá dài (horsemint), bạc hà mèo (catnip). “Chúng tôi dùng các phương pháp học máy khác nhau để huấn luyện các cảm biến, vì vậy họ có thể tạo ra ‘vân tay’ của mùi tương ứng từ dữ liệu đã được thu thập và do đó phân biệt được các mùi”, Wöll nói. Sau từng ví dụ về mỗi mùi hương, mũi điện tử được ‘làm sạch’ bằng carbon dioxide (CO₂) trong vòng một tiếng rưỡi để cho phép các cảm biến được tái sinh, cảm nhận mùi mới.

Với việc triển khai nghiên cứu của một nhóm khoa học liên ngành, các kết quả này chứng tỏ mũi điện tử với các cảm biến QCM có thể ‘hình dung” ra các mùi hương bạc hà với nét đặc trưng rõ rệt. Thêm vào đó, đây là một giải pháp hiệu quả về chi phí, tin cậy, thân thiện với người sử dụng hơn các phương pháp thông thường như sắc ký khối phổ, các nhà khoa học cho biết. Việc phá triển thêm giải pháp này sẽ tập trung vào các cảm biến tái sinh nhah hơn để lựa chọn các mùi hương nhanh hơn nữa. Các nhà nghiên cứu IFG sẽ tiếp tục tập trung vào các vật liệu MOF để phù hợp với các ứng dụng khác như cảm nhận khứu giác nhân tạo cho chẩn đoán y khoa.