Dans la nature, les odeurs émises par les plantes attirent les animaux comme les insectes. Cependant, les parfums sont également utilisés dans l'industrie, par exemple dans la production de parfums et d'arômes. Afin d'obtenir une fiabilité, rapide, et discrimination objective des parfums de menthe en particulier, des chercheurs du KIT (Karlsruhe Institute of Technology) se sont lancés dans une collaboration interdisciplinaire et ont développé un nez électronique doté d'un odorat artificiel. Ce nez électronique atteint une grande précision dans la reconnaissance des différentes espèces de menthe, ce qui en fait un outil adapté pour des applications allant du contrôle qualité pharmaceutique au suivi de l'huile de menthe en tant que bioherbicide respectueux de l'environnement.

"Jusque là, les scientifiques ont pu en identifier environ 100, 000 composés biologiques différents par lesquels les plantes voisines interagissent entre elles ou contrôlent d'autres organismes, comme les insectes, " dit le professeur Peter Nick du Botanical Institute of KIT. " Ces composés sont très similaires dans les plantes du même genre. " Un exemple classique du monde végétal est la menthe, où les différentes variétés produisent avec des parfums très spécifiques à l'espèce. Contrôle qualité industriel de l'huile de menthe, en particulier, est soumis à des réglementations légales strictes afin d'éviter l'adultération, prend du temps, et nécessite une grande expertise, explique le scientifique. Un nouveau « nez électronique » équipé de capteurs fabriqués à partir de matériaux combinés soutiendra ce processus. Chercheurs de l'Institut botanique, l'Institut des Interfaces Fonctionnelles (IFG), l'Institut de technologie des microstructures (IMT), et le Light Technology Institute (LTI) de KIT ont développé et testé conjointement ces capteurs avec six espèces de menthe différentes.

Nez électronique basé sur un modèle biologique

Dans le développement de l'E-nez, toute l'équipe de recherche a été guidée dans la mesure du possible par le modèle biologique :Les cellules olfactives, qui, chez l'homme, transmet des informations au cerveau via des impulsions électriques, sont remplacés par douze capteurs spéciaux QCM (Quartz Crystal Microbalance). Ces capteurs sont constitués de deux électrodes équipées d'un cristal de quartz. Entre autres, ces composants peuvent également être trouvés dans les téléphones mobiles, car ils garantissent des fréquences de téléphonie mobile très précises à faible coût. "Les parfums de menthe se déposent à la surface des capteurs. Cela modifie leur fréquence de résonance et nous obtenons une réaction au parfum respectif, " explique le professeur Christof Wöll de l'IFG. Les parfums sont constitués de molécules organiques de différentes compositions. Pour permettre aux nouveaux capteurs d'absorber ces molécules, les chercheurs de l'IFG ont utilisé douze matériaux de capteurs spécifiques, dont les charpentes organométalliques (MOF) développées à l'IFG. « Ces matériaux sont très poreux et particulièrement bien adaptés aux applications de capteurs car ils peuvent absorber de nombreuses molécules comme une éponge, " dit Wöll. "En combinant les capteurs avec les différents matériaux, nous créons ce que l'on pourrait appeler un réseau de neurones."

Utiliser l'apprentissage automatique pour entraîner le nez électronique avec six espèces de menthe

Les scientifiques ont testé le nez électronique avec six espèces de menthe différentes, dont la menthe poivrée classique, menthe équine et herbe à chat. "Nous utilisons différentes méthodes d'apprentissage automatique pour entraîner les capteurs afin qu'ils puissent créer l'empreinte du parfum respectif à partir des données collectées et ainsi distinguer les parfums, " dit Wöll. Après chaque échantillon de parfum, le nez E est rincé avec du dioxyde de carbone (CO 2 ) pendant environ une demi-heure pour permettre aux capteurs de se régénérer.

Les résultats obtenus par l'équipe de recherche interdisciplinaire ont montré que le nez électronique avec ses capteurs QCM peut attribuer des parfums de menthe avec une spécificité élevée à une espèce particulière. En outre, c'est une interface conviviale, fiable, et alternative rentable aux méthodes conventionnelles telles que la spectrométrie de masse, précise encore le scientifique. Le développement ultérieur se concentrera sur des capteurs qui se régénèrent plus rapidement pour capter à nouveau les odeurs. Les chercheurs de l'IFG continueront de se concentrer sur les matériaux MOF afin de les adapter à d'autres applications, comme la perception olfactive artificielle pour le diagnostic médical.