Şunu bir düşünün! Sütün bozuk olduğunu burnunuzdan daha hızlı söyleyebilecek ucuz bir ev aleti yoktur. Bir kez kokladığınızda sütün ekşidiğini anlarsınız. İnsanlar uzaktaki yıldızları ve tek tek atomları görmemizi sağlayan teknolojiler yarattı ama iş kokuya geldiğinde burun hala en iyisini bilme eğiliminde.
E-burun olarak bilinen koku alma sistemini taklit eden taşınabilir sensörler, havadaki uçucu bileşikleri tespit etmek için kullanılabilir. Ancak bu cihazlar büyük olmaları, karmaşık üretimleri, sadece bir ya da birkaç bileşiği algılayabilmeleri ya da hatalı olmaları nedeniyle şimdiye kadar yaygın olarak kullanılmadı. Şubat ayında Ohio, East Palestine’de meydana gelen tren kazası gibi zehirli sızıntılar, uçucu bileşikleri yerinde hızlı ve doğru bir şekilde tespit edebilen taşınabilir ve ucuz sensörlere duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır.
Şimdi, Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu (SEAS) liderliğindeki bir araştırma ekibi, her yerde bulunan uçucu organik bileşikler (VOC’ler) gibi uçucu bileşikleri hızlı ve doğru bir şekilde “koklayabilen”, üretimi kolay bir e-burun tanıttı. Sensör, tek bir sensörle hem pasif hem de aktif algılamayı sergileyen ve bir dizi molekülü ve bunların karışımlarını tanımlamak için makine öğrenimini kullanan türünün ilk örneğidir.
“Yaklaşımımızın ayırt edici özelliği, sensörümüzün biyolojik olarak esinlenilmiş ‘koklama’ özelliğine sahip olmasıdır. Canlı organizmalar tarafından kullanılan ve yalnızca kimyasal algılamayı değil aynı zamanda dinamik kütle taşıma süreçlerini de içeren kritik koku ayırt etme mekanizmasını taklit ederek nefes alma-nefes verme dizileri oluşturuyor” diyen SEAS Malzeme Bilimi Profesörü Amy Smith Berylson, Kimya ve Kimyasal Biyoloji Profesörü ve çalışmanın başyazarı Joanna Aizenberg sözlerini şöyle sürdürdü: “Sonuçlarımız, bu benzersiz özelliğin herhangi bir yapay burnun algılama gücünü önemli ölçüde artırdığını ve hastalık teşhisi için nefes ölçerlerde, hava kalitesinin ve tehlikeli atıkların izlenmesinde veya gıda bozulmasının tespit edilmesinde geniş uygulama alanları olduğunu gösteriyor.”
Araştırma Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde yayımlandı.
VOC’ler: İyi, Ölümcül, Hayat Kurtarıcı
VOC’ler hem doğal hem de insan yapımı kaynaklardan havaya yayılır. Her yerde bulunurlar; kozmetikten mobilyaya kadar her şeyde kullanılırlar ve tarımsal faaliyetlerden, araba egzozundan, orman yangınlarından, endüstriyel süreçlerden ve daha fazlasından yayılırlar. VOC’ler iyi huyludan ölümcül olana kadar çeşitlilik gösterir, bu nedenle varlıklarını, konsantrasyonlarını ve kimliklerini ölçmek, iç ve dış hava kalitesini ve tehlikeli atıkları izlemek için önemlidir. Son araştırmalar, nefes ve idrardaki VOC’lerin ölçülmesinin bazı kanserleri erken aşamalarda tespit edebileceğini de ortaya koymuştur.
Günümüzde, havadaki VOC’leri tanımlamak ve ölçmek için kullanılan çoğu cihaz, hantal olma eğiliminde olan ve çalıştırmak, yorumlamak için uzmanlara ihtiyaç duyan sofistike aletlere dayanmaktadır. Araştırmacılar taşınabilir, pratik, güvenilir ve okunması kolay alternatifler olarak e-burunlar geliştirmektedir.
Burundaki milyonlarca reseptörü taklit etmeye çalışmak yerine – ki bu da hantal ve üretimi zor cihazlara yol açabilir – Aizenberg ve ekibi, farklı VOC’leri oluşturan moleküllerin optik özelliklerini tespit etmek için tek bir sensör kullanıyor.
Sensör, aralarında küçük gözenekler bulunan silika ve titanya nanopartiküllerinden oluşan alternatif katmanlara sahiptir. Sensör, içine VOC içeren az miktarda sıvının eklendiği küçük bir cam kutunun üzerine yerleştirilir.
Sıvı buharlaştıkça, gaz sensörün gözeneklerine doğru hareket eder, burada adsorbe olur ve yoğunlaşır. Bu işlemler gerçekleştikçe, sensör katmanlarının her birinin kırılma indisleri artar ve bu da sensörün renginin değişmesine neden olur.
Makalenin ilk yazarı ve Aizenberg’in laboratuvarında postdoktora araştırmacı olarak çalıştığı dönemde projenin yaratıcısı olan Ida Pavlichenko. “Sorun şu ki, farklı gazların kırılma indisleri birbirine çok benziyor. Bu da hangi gazı kullanırsanız kullanın deneyin sonunda sensörün renginin hemen hemen aynı görüneceği anlamına geliyor,” dedi.
Ancak ekip, sensörün kırılma indisindeki değişikliklerin zaman içinde farklı bileşikler için farklı şekilde geliştiğini ve her VOC için bir tür dinamik spektral parmak izi oluşturduğunu fark etti.
Aizenberg Laboratuvarı’nda Araştırma Görevlisi ve makalenin ilk yazarı olan Anna V. Shneidman, “Haznenin dibinde bir damlacığın oluşumundan buharlaşmasına, hazne boyunca yükselmesine ve sensöre ulaşmasına kadar tüm süreçlerin oranları, mevcut moleküller arasındaki benzersiz mikroskobik kuvvetlere bağlıdır. “Bu nedenle, sensör renginde zaman içinde meydana gelen değişiklikler, 5 karbon moleküllü pentan ve 8 karbon moleküllü oktan gibi çok benzer VOC’ler için bile çok farklı görünecektir.”
Ekip, her bir bileşiğin dinamik yansıma spektrumundaki belirli özellikleri tanımladı ve bu özellikleri, belirli VOC’leri tanımlamak, karışımdaki her bir VOC’nin konsantrasyonunu belirlemek ve uçucu sıvıların fiziksel özelliklerini doğru bir şekilde tahmin etmek için bir makine öğrenimi algoritmasını eğitmek için kullandı.
Shneidman, “Makine öğrenimi, bu basit sensörlerin bile olağanüstü şeyler yapabilme becerisini geliştiriyor” dedi.
SEAS Uygulamalı Matematik ve Uygulamalı Fizik Profesörü Michael F. Cronin ve Fizik Profesörü ve makalenin ortak yazarı Michael P. Brenner. “Bu çalışmada, deneylerdeki koku alanından kimyasal türlere eşleme yapmak için basitleştirilmiş bir model kullanıyoruz. Daha büyük veri kümeleriyle, daha ince ayırt edici güce sahip daha sofistike modeller oluşturabileceğiz,” dedi.
Bir Nefes Al
Algılama sürecini hızlandırmak ve makine öğrenimi algoritmasına daha da zengin veriler sağlamak için ekip koklama yöntemine başvurdu.
Eğer daha önce bir köpeğin önüne çıkan bir şeyi kokladığını gördüyseniz, köpeklerin hem hızlı, kesik kesik koklama hem de daha uzun soluma hareketleri yaptığını bilirsiniz.
Raymond Leo Erikson Yaşam Bilimleri Moleküler ve Hücresel Biyoloji Profesörü ve Harvard Beyin Bilimi Merkezi Paul J Finnegan Aile Direktörü ve makalenin ortak yazarı Venkatesh Murthy “Köpekler ve insanlar da dahil olmak üzere diğer memeliler, koklamanın zamanlamasını, hızını ve derinliğini aktif olarak modüle edebilir. Bu davranışsal gözlemin yanı sıra birçok sinirbilim deneyi, beyinlerin kokular hakkında çıkarımlarda bulunmak için koku hissinin dinamiklerinden yararlandığını açıkça göstermektedir” dedi.
Araştırmacılar, farklı koklama şekillerinin moleküllerin sensörle etkileşim şeklini de değiştirdiğini buldular. Difüzyon, emilim, yoğunlaşma ve desorpsiyon oranları farklı inhalasyon ve ekshalasyon uzunluklarıyla değişiyor.
SEAS’ta doktora adayı ve makalenin ilk yazarı olan Haritosh Patel, “Farklı koklama ve nefes verme süreleriyle, daha önce ayırt edilmesi zor olan bileşikleri birbirinden ayırmaya başlayabiliriz” dedi.
“Doğada, bu bileşiklerin konsantrasyonları oldukça dramatik bir şekilde değişiyor. Bir tür bileşik, sensörünüzü aşırı maruz bırakmamak için daha kısa bir koklama modeli gerektirebilirken, konsantrasyonların çok düşük olduğu senaryolarda sensörü doyurmak için daha uzun nefesler almak isteyebilirsiniz.”
SEAS’ta eski bir yüksek lisans öğrencisi ve makalenin ilk yazarı olan Soeren Brandt, “Boyut, taşınabilirlik ve üretim kolaylığı, sensörümüzü birçok ticari sensörden daha çok yönlü ve çok çeşitli bileşiklere ve kokulara uyarlanabilir hale getiriyor” dedi. “Diğer e-burunlarla karşılaştırıldığında, yapımı, kullanımı, yeniden kullanımı ve bakımı daha kolay. Çalışmamız, daha verimli ve daha ucuz e-burunlar üretmek için bir plan niteliğinde.” [1]AI-enabled portable e-nose sniffs out harmful molecules[2]Öne çıkan görsel
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | AI-enabled portable e-nose sniffs out harmful molecules |
|---|---|
| ↑2 | Öne çıkan görsel |
