Eine transdisziplinäre Übersicht über die elektronische Nase

Der Mechanismus, durch den die menschliche Nase einen Geruch wahrnimmt, ist komplex und umfasst verschiedene chemische Reaktionen bei der Umwandlung des geruchsaktiven Moleküls in einen elektrischen Impuls, der an das Gehirn gesendet wird, welches dann das Geruchsempfinden zurückgibt. Der Geruch wird klassifiziert und quantifiziert, und seine instrumentelle Erfassung kann durch die elektronische Nase erfolgen, ein interaktives Gerät, das für verschiedene Anwendungen geeignet ist. Im Agrar- und Lebensmittelsektor ermöglicht die Entwicklung tragbarer Geräte, Lebensmittel zu riechen und ihren Reife- und Verderbensgrad zu messen; dies ist zweifellos nützlich zur Reduzierung von Abfällen, zur Identifizierung des besten Zeitpunkts für den Lebensmittelkonsum und zur Verbesserung der Lebensmittelsicherheit. In Bezug auf die Umweltverträglichkeit von Materialien und Techniken zum Verpacken und Verlegen von Konglomeraten (zum Beispiel Bitumen) bleibt das Problem der olfaktorischen Belästigung für die in der Nachbarschaft lebende Bevölkerung ein ungelöstes Problem. Der Ansatz basierend auf elektronischen Nasen ist sehr effektiv. Die elektronische Nase stellt auch eine wichtige Ressource beim Screening von Atemwegserkrankungen dar, wo die Notwendigkeit besteht, einen schnellen und zuverlässigen diagnostischen Test für Erkrankungen wie Pneumonie oder saisonale Grippe zu identifizieren. Die Umweltüberwachung von Schadstoffen ist heute von besonderer Bedeutung, und die elektronische Nase ist ein wichtiger Kandidat für den Einsatz in diesem Bereich. Der Markt für Gassensoren nutzt Physik, Chemie und Materialwissenschaften, um hochempfindliche, zuverlässige und stabile Sensorplattformen zu entwickeln, die in der Lage sind, sehr kleine Mengen von Gasmolekülen in der Umwelt zu detektieren. Um wettbewerbsfähige Gassensorplattformen zu entwickeln, werden neue Materialien in Betracht gezogen, einschließlich Polymere, nanostrukturierte Metalloxide und nanostrukturierte kohlenstoffbasierte Materialien (CNTs). Neben den experimentellen Aspekten, insbesondere Raman- und Elektronenspektroskopietechniken zusammen mit der Rasterkraftmikroskopie, spielt das theoretisch-mathematische Modellieren in diesem Sektor eine extrem wichtige Rolle, mit besonderem Augenmerk auf den Fall von Mikro- und Nanometergrößen. Viele Bestrebungen sind jetzt darauf gerichtet, die Empfindlichkeit dieser Geräte zu verbessern, und dies hängt mit der Diffusion von Trägersubstanzen darin zusammen. Der Artikel bietet auch einen Überblick über die mathematischen Modelle, die sich auf mechanische Prozesse und Dynamik im Mikro- und Nanobereich beziehen, und konzentriert sich schließlich auf die Drude-Lorentz-Modelle mit den damit verbundenen neueren Verallgemeinerungen.