بینی های الکترونیکی و اپتوالکترونیکی و توانایی‌های آن‌ها:
( این پست 4 مطلب مرتبط را شامل می شود که به ترتیب درج کردیده اند)

1- بینی الکترونیکی جدیدی که بوهای مختلف را شناسایی می‌کند.

« بینی الکترونیکی » مانند بینی انسان، بوهای مخلوط‌های گازی پیچیده را درک کرده و آنها را بر اساس (الگوهای) سیگنال خاص شناسایی می‌‌کند.
در تاریخ 2018/ 04/ 30 مطلبی با عنوان زیر رسانه ای شد:
"حسگریا سنسوری(sensor ) که بوی آتش‌سوزی کابل یا خوراکی‌های فاسد شده را به سرعت حس می‌کند."
بینی یک موجود زنده یک آشکارساز مولکولی بیولوژیکی ست که سیگنال‌های عصبی را به مغز می‌فرستد و سپس مغز یک رایحه خاص را رمزگشایی می‌کند.
بینی انسان با شش میلیون گیرنده بویایی، می‌تواند بیش از یک تریلیون رایحه را تشخیص دهد، در حالی که بینی برخی از سگ‌ها تا ۳۰۰ میلیون گیرنده دارد که حساسیت بیشتری را در هر تریلیون ارائه می‌دهد.
این گیرنده‌ها بوها را درک می‌کنند و الگویی از سیگنال‌های (خاص) تولید می‌کنند. مغز (الگوی) سیگنال را به یک بوی خاص - از قبل شناسایی شده - نسبت داده و بدین ترتیب "بو" شناسایی می شود*.
به گفته دکتر مارتین زومر(Martin Sommer ) که بر پروژه smelldect (تشخیص بو ) در موسسه فناوری کارلزروحه (آلمان) KIT نظارت دارد: "ما از بینی بیولوژیکی به عنوان مدل استفاده کردیم، این بینی الکترونیکی متشکل از نانوالیاف های معین، به مخلوط‌های گازی پیچیده یعنی بوها واکنش نشان داده و الگوهای سیگنالی (خاص) را تشکیل می‌دهند که حسگر برای تشخیص از آنها استفاده می‌کند، هدف smelldect طراحی و توسعه یک حسگرِ بوی ارزان قیمت مناسب برای تولید انبوه و استفاده روزمره است".
* در حاشیه از نگارنده وبلاگ:
این پروسه (دقیقاً) مشابه پروسه تشخیص رنگ‌‌ها به وسیله چشم است، چشم سیگنال های (نوری) را پس از دریافت به نقطه زرد» در شبکیه منتقل و از آنجا به مغز هدایت می کند. در " کامپیوتر مغز» این سیگنال‌ها با رنگ‌هایی- از قبل توسط چشم شناسایی شده‌اند- مقایسه شده و رنگ مشخص می گردد.
تعریف(Def.) رنگ به عنوان پدیده براساس استاندارد آلمانی : DIN : 5031-1 1970-03
« رنگ عبارت است از یک ادراک حسی که توسط چشم ضبط، به مغز منتقل و درآنجا "داده پردازی" و یا به عبارت دیگر با رنگهای قبلاً توسط مغز شناسائی شده مقایسه مي‌گردد.»
ادامه مطلب : قهوه تازه آسیاب شده، پاپ کورن، زباله‌های ارگانیک یا دود- در طول زندگی‌مان، با طیف گسترده‌ای از بوها آشنا می‌شویم و به لطف وجود بینی‌مان می‌توانیم آنها را حتی بدون دیدن منبع (بو)تشخیص دهیم- . محققان موسسه فناوری کارلسروهه (KIT) در پروژه smelldect ( تشخیص بو) حسگری را طراحی کردند که می‌تواند برای تشخیص طیف گسترده‌ای از بوها آموزش داده شود. این "بینی الکترونیکی" برای استفاده روزمره مناسب است و خطرات احتمالی مانند کابل‌های در حال سوختن یا مواد غذایی فاسد شده را زودتر از انسان تشخیص می‌دهد.
« بینی مصنوعی» شامل یک تراشه حسگر(sensorchip ) است که روی آن نانوسیم‌های دی‌اکسید قلع به بسیاری از حسگرهای منفرد متصل شده‌اند. این تراشه الگوهای سیگنال (های) خاص را بر اساس تغییرات مقاومت حسگرهای منفرد محاسبه می‌کند، این الگوها به مولکول‌های موجود در هوای محیط حساسیت دارند و برای بوهای مختلف، متفاوت و قابل تشخیص هستند. حال و اگر این (الگو) قبلاً به تراشه مورد نظر آموزش داده شده باشد، «حسگر بو» می‌تواند آن بو را در عرض چند ثانیه شناسایی کند.
« بینی الکترونیکی » تنها چند سانتی‌متر اندازه دارد و شامل تمام قطعات الکترونیکی فعال، از جمله فناوری تجزیه و تحلیل گازها می‌باشد. این تراشه حسگر می‌تواند انواع بوهای مختلف را "یاد بگیرد" و همین امر، آن را به ابزاری همه‌کاره تبدیل می‌کند: چه در خانه برای نظارت بر کیفیت هوای داخل خانه و چه به عنوان آشکارساز آتش‌سوزی، چه هنگام خرید برای تعیین تازگی ماهی یا در کنترل کیفیت نهایی عسل و بالاخره به عنوان بینی برای یک ربات.
به گفته مارتین زومر(Martin Sommer ) : « مشکل این است که همه بوها یکسان نیستند. به عنوان مثال بوی یک گل رز در آفتاب با بوی باران متفاوت است. به همین جهت فعلاً در حال "آموزش بینی الکترونیکی" برای استفاده در کاربردهای مختلف (وخاص) هستیم»
مختصری هم در باره مکانیزم فرایند:
گروه محققان برای شروع کار به یک دیود (ساطع‌کننده )نور که در محفظه حسگر ادغام شده است، تکیه می‌کند که به نانو سیم‌ها با نور فرابنفش می‌تاباند. این تابش(ها) مقاومت الکتریکی اولیه بسیار بالای دی‌اکسید قلع را تا حد نسبتاً زیادی کاهش می‌دهد. این تغییرات که (عملاً) توسط مولکول‌های مسئول بو ایجاد شده و روی سطح دی‌اکسید قلع رسوب کرده اند، به سرعت قابل تشخیص می باشند. به گفته مارتین زومر( Martin Sommer) : "اگر حسگر بویی را تشخیص دهد، مقاومت حتی بیشتر کاهش می‌یابد و اگر بو - بر هر دلیل- محو شود، شرایط اولیه با مقاومت الکتریکی به همان نسبت بالا (دوباره) بازیابی می‌شود، به طوری که "بینی" برای اندازه‌گیری‌های بیشترِ بو آماده می شود."
محققان موسسه KIT می‌خواهند مقرون‌ به‌ صرفه‌ترین حسگر ممکن را طراحی کرده و توسعه دهند تا برای تولید انبوه آماده شود. به گفته مارتین زومر Martin Sommer: " در آینده، بینی الکترونیکی باید این قابلیت را دارا باشد که در تمام دستگاه‌های الکترونیکی نصب شود تا به عنوان مثال از آتش‌سوزی کابل ها جلوگیری شود، از مواد خوراکی فاسد شده به سرعت اطلاع حاصل گردد . بگفته وی " ما همچنین در این فکر هستیم که تلفن‌های هوشمند را (نیز)به آن مجهز کنیم تا افراد هنگام خرید« بینی الکترونیکی » بسیار حساسِ خود را به همراه داشته باشند."
منبع اصلی :
Karlsruher Institut für Technologie ( KIT) 2018

2- بینی الکترونیکیِ قابل حمل طیف وسیعی از مواد شیمیایی را شناسایی می‌کند.

تاریخ انتشار منبع اصلی 23.03.2024
چکیده :
« بینی‌های الکترونیکی» دستگاه‌های الکترونیکی خاصی هستند که می‌توانند بوها و طعم‌های(بخار شده) را « بو کشیده » و شناسایی کنند. این بینی‌های مصنوعی اما باید (معمولاً )به تجهیزات آزمایشگاهی مجهزی متصل باشند، تجهیزاتی که (ولی) به راحتی قابل حمل نیستند. این معضل محققان را بر آن داشته است تا حسگرهای جدید و قابل حملی را را طراحی کرده و بسازند که قادر باشند طیف وسیعی از مواد شیمیایی را « در محل» شناسایی کنند.
محققانی از دانشکده مهندسی دانشگاه پیتسبورگ* (School of Engineering der Universität Pittsburgh ) با توسعه یک سیستم (کوچک) که الگوهای سه‌بعدی را تشکیل می‌دهد و به عنوان "اثر انگشت" شیمیایی عمل می‌کند، این سیستم همچنین پتانسیل آن را دارد که شناسایی مواد شیمیایی موجود در محلول‌ها را (نیز)عملی کند.
* ( دانشگاه پیتسبرگ(University of Pittsburgh ) یک دانشگاه تحقیقاتی دولتی در پیتسبرگ واقع در ایالت پنسیلوانیا آمریکا است که در سال ۱۷۸۷ میلادی بنیان‌نهاده شده‌است.)
به گفته آنا سی بالاز (Anna C. Balazs ) استاد مهندسی شیمی دانشگاه مذکور "کاتالیزورها بسیار گزینشی عمل کرده و قادرند اجزاء واکنش کننده (خاصی) را " وادار" به یک واکنش (کاتالیزوری) کنند. این گزینش ‌پذیری کاتالیزورهای موجود در یک محلول، عاملی‌ست برای آشکار سازی هویت اجزاء واکنش. حال و در صورتیکه واکنش‌ کننده‌های مناسب به مایع اضافه شوند، یک جریان سیال خود به ‌خودی ایجاد می شود که قادر خواهد بود به " تجمعی " متشکل از اجزاء انعطاف‌پذیر و شناور در محلول را جهت داده و شکل دهد. اکنون و وقتی این " تجمعاتِ انعطاف‌پذیر در کف یک محفظه پر از مایع که با آنزیم‌های خاصی پوشانده شده اند، با واکنش کننده‌های دیگر مواجه می گردند، مجبور به "خم شدن" در جهات مختلف شده و بدین ترتیب الگوهایی با اَشکال متفاوت تشکیل می‌شوند"
به گفته آنا سی بالاز(Anna C. Balazs )": شگفت‌انگیز این است که هر واکنش‌ کننده یا "تجمعی" از واکنش‌کننده ها
الگوی خاص خود را ایجاد می‌کنند و یا به عبارت دیگر یک «اثر انگشت» منحصر به فرد از خود به جا می‌گذارد که به ما این
امکان را می‌دهد که ترکیب شیمیایی درون محلول را شناسایی کنیم."
منبع :
chemie.de - Das Chemie Fachportal vom Labor bis zum Prozess, 23.03.2024
توجه : جزئیات کامل این مطلب در آینده در یک پست جداگانه درج خواهد شد.

3-حسگر ساده ای که با تغییر رنگ، گازهای سمی را شناسایی می‌کند

تارخ انتشار: 11.08.2025
بینی‌های اپتوالکترونیکی
همه گازهای سمی بو یا رنگ ندارند. به عنوان نمونه می توان از گاز کربن مونوکسید یاد کرد که نه رنگ دارد و نه بو، ولی کشنده است!
گروهی از محققان در مجله ACS Sensors گزارش می‌دهند که الگوهای رنگی در (یک آرایه) حسگر کاغذی ارزان و بادوام آنها در حضور گازهای سمی تغییر کرده و امکان اندازه‌گیری سریع و دقیق را در عرض چند دقیقه فراهم می‌کند. در یک فرایند، شبکه ای کوچک از مربع‌هایی به رنگ‌های پاستلی و آبنباتی قادر خواهد بود که به طور مؤثر مواد شیمیایی خطرناک موجود در هوا مانند کلروسارین - یک جنگ افزار شیمیایی فلج کننده ( اعصاب)- را "بو کشیده" و به تشخیص آن کمک کند.
بینی‌های الکترونیکی ، دستگاه‌هایی هستند که بخارات شیمیایی مضر را تشخیص می‌دهند. با این حال ولی اجزاء الکترونیکی آنها می‌توانند گران باشند و برای محیط‌های مرطوب نیز مناسب نیستند. اما « بینی‌های اپتوالکترونیکی » قادرند با جایگزینی اجزاء الکترونیکی با مولکول‌های رنگی بر این محدودیت‌ها غلبه کنند.. این بینی های « اپتوالکترونیکی » هنگام واکنش با مواد شیمیایی خاص تغییر رنگ داده و می‌توانند به عنوان" معرف" برای ( مواد شیمیایی بکار رفته در آزمایش ها ) عمل کنند. به گفته ویجی تاک (Vijay Tak ) و همکارانش که این بینی اپتوالکترونیکی جدید را طراحی، ساخته و آزمایش کرده‌اند، این « بینی‌های اپتوالکترونیکی» از مجموعه‌ای از حسگرها تشکیل شده اند که گازهای کشنده را شناسایی کرده و اندازه‌گیری می‌کنند. هر حسگر درون این "آرایه" یک کاغذ مربعی کوچک حاوی ذرات میکروسکوپی دی اکسید سیلیکون است که با رنگ‌هایی پوشانده شده‌اند. این رنگ ها هنگام تماس با مولکول‌ها یا یون‌های خاص، فام ( رنگ) و شدت یا ضعف یا " عمق" رنگ خود را تغییر می‌دهند.
برای آزمایش این فرایند ویجی تاک (Vijay Tak ) و تیم همکار تحقیقاتی او، حسگرها را با غوطه‌ور کردن در میکروذرات دی‌اکسید سیلیکون در ۳۶ محلول رنگی مختلف " فعال کردند"، پس از خشک شدن در هوا، ذرات خشک شده در یک صفحه میکروتیتر(Microtiter plate) قرار داده شد. در گام بعدی آن‌ها یک تکه کاغذ چسبناک روی صفحه قرار داده، بطوریکه با برگرداندن صفحه مورد نظر ذرات دی‌اکسید سیلیکون حاوی رنگ روی کاغذ حک شده بود. با این روش یا ترفند یک آرایه ۱۲x۳ از حسگرهای تغییر رنگ دهنده ایجاد گردید. ضمناً برای پشتیبانی (ساختاری) از آرایه، یک ورق فلزی نازک به قسمت زیرین چسب کاغذ متصل کردند.
برای آزمایش دقت این "آرایه"( یا چینش مرتب شده) (آلمانی : Anordnung )، محققان آن را در معرض ۱۲ گاز سمی، هر کدام با دو غلظت، قرار دادند. این تیم عکس‌هایی از رنگ و شدت مربع‌ها را قبل و بعد از پنج دقیقه قرار گرفتن در معرض گاز مقایسه کردند.. این ( عملیات)منجر به الگویی شد که آنها می‌توانستند از آن برای شناسایی نوع و غلظت گاز استفاده کنند. در آزمایش‌های مکرر، حسگرهای تغییر رنگ دهنده در شناسایی نوع تهدید شیمیایی به دقت ۹۹٪ و در اندازه‌گیری غلظت در نمونه‌های گاز به دقت ۹۶٪ دست یافتند. علاوه بر این، یک نمایش دیگر تأیید کرد که دقت آرایه ( چینش مرتب شده) تحت تأثیر رطوبت قرار نمی‌گیرد.
به گفته تیم محققان " با هزینه تولید تخمینی ۲۰ سنت برای هر آرایه، می‌تواند طرح‌های آنها رویکردی مقرون‌به‌صرفه و سازگار برای (نظارت بر) محیط زیست در شرایط متفاوتِ دنیای واقعی ارائه دهد." تیم همچنین توضیح می دهد که "در مرحله بعد، آنها قصد دارند یک نمونه اولیه از بینی اپتوالکترونیکی دستی را برای آزمایش مواد شیمیایی خطرناک در فضای باز(نیز) توسعه دهند.
منبع :
chemie.de – (Das Chemie Fachportal vom Labor bis zum Prozess) 11.08.2025

4-حسگری که با استفاده از سیستم«دوربین سرعت»گازها را شناسایی می‌کند.

تارخ انتشار: 01.10.2025
پلتفرم ماژولار(Modular) برای طیف وسیعی از کاربردها:
تشخیص زودهنگام نشتی (گاز) در صنایع شیمیایی، بیماری دیابت*، نظارت بر تازگی خوراکی ها و...
(* دیابت و/یا مصرف داروهای دیابت می تواند عامل بوی بد دهان باشد.)
توصیح : ماژول به اجزای کوچک یک کلیت بزرگتر گفته می‌شود. ماژولار(Modular) اصطلاحی فنی مهندسی است و منظور از آن، تکه تکه بودن بخشهای یک سیستم است.
حسگرهای شیمیایی مرسوم معمولاً میزان چسبندگی یک ماده خاص به یک سطح را اندازه‌گیری می‌کنند.
هوا حاوی صدها ترکیب آلی فرار (VOC) است که اغلب در غلظت‌های پایین و همگی با هم مخلوط شده‌اند. همچنین بخار
آب که اغلب هزاران برابر فراوان‌تر از مواد" مورد هدف" است و لذا اندازه‌گیری دقیق را برای بسیاری از حسگرها دشوار می‌کند. از تجزیه و تحلیل تنفس گرفته تا تشخیص مواد منفجره نیاز به "بینی‌های" الکترونیکی قابل اعتماد می باشد و فناوری های فعلی اغلب پاسخگوی این نیاز نیستند. برای حل این مشکل محققانی به سرپرستی مارگوت وسترکن Margot Verstreken از دانشگاه لوون (leuven بلژیک)( فرانسه : Louvain ) یک (پلتفرم) ماژولار(Modular) برای طیف وسیعی از کاربردها طراحی کرده و حسگری (انعطاف‌پذیر) را کاربردی نموده اند که نه تنها ( اکثر)گازها را تشخیص می‌دهد، بلکه سرعت آنها را نیز - مانند یک دوربین سرعت سنج- ثبت می‌کند. این فناوری که ( خلاصه‌ای از آن) در مجله Nature Communications منتشر گردیده و ثبت اختراع شده است، سرعت حرکت مولکول‌ها را از طریق یک نانوماده خاص اندازه‌گیری می‌کند.
پلتفرم( حسگر) جدید دانشگاه KU Leuven از چارچوب‌های فلز-آلی MOF (Metal Organic Frameworks ) استفاده می‌کند. این گروه از ترکیبات متشکل از یون‌های فلزی کوردینه شده با لیگاندهای آلی بوده و در شبکه‌ای از نانوحفره‌ها که همگی دقیقاً به یک اندازه هستند گنجانده شده اند. این مواد مانند رعد و برق مولکولی عمل می‌کنند، وقتی مولکول‌های گاز در دمای کمی بالا از میان منافذ عبور می‌کنند، با توجه به ساختارشان این کار را با سرعت‌های مختلف و خاصی انجام می‌دهند. میزان این « سرعت» مانند یک « اثر انگشت » عمل می‌کند و با اندازه‌گیری آن می‌توان گازهای مختلف را حتی در شرایط دشوار که حسگرهای معمولی از کار می‌افتند، تشخیص داد.
برای ساختارِ این حسگر خاص ثبت اختراع شده است،
توضیح در حاشیه:
چارچوب های آلی فلزی (Metal Organic Frameworks) ساختارهایی بلوری هستند که از اتصال یون های فلزی و مولکول های آلی تشکیل می‌شوند. امروزه سنتز و کاربرد چارچوب های آلی- فلزی (MOFs) بسیار مورد توجه قرار گرفته است و از جمله جدیدترین موضوعات پژوهشی در شیمی محسوب می‌شود.
یک ویژگی خاص :
ویژگی خاص رویکرد دانشگاه KU Leuven این است که از یک پلتفرم مقیاس‌پذیر استفاده می‌کند، با استفاده از تطبیق این پلتفرم (چارچوب فلزی-آلی)می توان- حسگر را بدون تغییر فناوری اصلی- برای شناسایی گازهای خاص تنظیم کرد. این سیستم همچنین کمپاکت ( فشرده و جمع و جور)، کم‌مصرف و با عملکرد بالا بوده و (حتی) در محیط‌های مرطوب یا در مخلوط‌های گازی پیچیده و غلظت‌های پایین، مانند یک « بینی الکترونیکی » قدرتمند عمل می‌کند.
مارگوت وسترکن Margot Verstreken ورسترکن تأکید می‌کند: «این حسگر برای یک کار خاص ساخته نشده، بلکه یک پلتفرم ماژولار است.» با انتخاب MOF مناسب یا ترکیبی از MOF ها، می‌توانید حسگر را برای کار مورد نظر تنظیم کنید. این انعطاف‌پذیری، پلتفرم ما را برای طیف وسیعی از بخش‌ها، از مراقبت‌های بهداشتی گرفته تا امنیت، مناسب می‌کند.
کاربردها:
به گفته مارگوت وسترکن Margot Verstreken " طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه برای این فناوری وجود دارد. فقط به یک آزمایش تنفس برای تشخیص زودهنگام دیابت فکر کنید، یا تشخیص نشتی در صنایع شیمیایی و نقص در باتری‌های لیتیوم-یون، نظارت بر کیفیت هوای داخل یا خارج از منزل، یا ردیابی تازگی میوه و سبزیجات در انبار. حتی مواد منفجره یا داروهای (پنهان شده) را می‌توان با این فناوری سریع‌تر و دقیق‌تر تشخیص داد. این حسگر به دلیل طراحی مدولار آن، می‌تواند با انتخاب مناسب MOF برای کاربرد های مختلف مورد استفاده قرار گیرد."
منبع :
chemie.de - Das Chemie Fachportal vom Labor bis zum Prozess, 01.10.2025
( به نقل از : دانشگاه لوُوَن بلژیک)
Katholieke Universiteit Leuven , KU Leuven.be )

*****************************************

کتاب های تخصصی (علمی-کاربردی) صنعت رنگ از حمیدرقمی (نگارنده وبلاگ)

برای دیدن جزئیات بیشتر روی عنوان" کتاب های تخصصی ..." کلیک کنید!