Strona główna » opracowania » przemiot badań » Instrumentalne badania zapachów

W badaniach instrumentalnych wykorzystuje się m.in. metody chromatografii gazowej, gazowo-cieczowej, spektroskopii w podczerwieni, masowej elektroskopii, itp. Metody te pozwalają na określenie poszczególnych części składowych substancji tworzących „zapach”, określenie z większą lub mniejszą dokładnością ich składu ilościowego i jakościowego oraz uzyskanie graficznych wyobrażeń „zapachów” (np.: chromatogramów - „sygnałów olfaktronicznych”). 
Urządzenia techniczne, po ich zaprogramowaniu, analizować mogą albo wszystkie elementy składowe powietrza, w tym również zapachy środowiskowe (tło) bez możliwości ich rozdzielenia i w tym kontekście mogą być one wykorzystane do analizy porównawczej. Mogą być one ukierunkowywane również selektywnie na jeden rodzaj „zapachu” (gazu) i w takiej postaci wykorzystywać można je jako czujniki określonych substancji, np. gazu ziemnego. Największe obecnie zastosowanie wśród metod instrumentalnych w badaniu substancji gazowych ma, i chyba mieć będzie w przyszłości, chromatografia gazowa.
Właściwe narodziny chromatografii gazowej, jako metody analitycznej, przypadają na rok 1952. Wtedy to właśnie James i Martin opublikowali swoje doniesienia na temat prób rozdzielenia mieszanin kwasów tłuszczowych i amin za pomocą tej metody analitycznej. Po 1952 roku zaobserwować można wręcz burzliwy rozwój chromatografii gazowej. „Kamieniami milowymi” na drodze postępu tej metody analitycznej były między innymi:

Następstwem doskonalenia metod analitycznych było podjęcie badań zmierzających do stworzenia urządzenia służącego do identyfikacji zapachów. Były one prowadzone niemalże równolegle przez cywilne, jak i wojskowe instytuty naukowe oraz różnego rodzaju zakłady przemysłowe. Prace te przynosiły jednak bardzo różne rezultaty.
W listopadzie 1963 roku szwajcarskie czasopismo "Neuheiten und Erfindungen" poinformowało o skonstruowaniu przez uczonych amerykańskich aparatu o nazwie „Sindomat Y 99”. Jak podają autorzy owej publikacji, konstruktorzy urządzenia założyli, że skóra każdego człowieka wydziela ściśle dlań charakterystyczny, indywidualny zapach. I mimo, że różnice między tymi zapachami są nadzwyczaj nikłe, to jednak niezaprzeczalnie istnieją. Rozróżnianie i rozpoznawanie indywidualnych zapachów ciała ludzkiego umożliwiać miał właśnie aparat „Sindomat Y 99” .
Autorzy publikacji podali również informację, że w San Francisco za pomocą tego aparatu, w ciągu stosunkowo krótkiego czasu, zidentyfikowano i ujęto 21 od dawna poszukiwanych przestępców. Pomimo przekazania informacji dotyczących praktycznego zastosowania tego aparatu i powielenia jej później przez szereg innych czasopism naukowych, to nie znalazły one potwierdzenia w późniejszej, poważnej literaturze amerykańskiej. Nie podano również żadnych szczegółów dotyczących budowy i sposobu działania tego urządzenia. Najprawdopodobniej bardzo dobry pomysł oparł się możliwościom technicznym.
Nad skonstruowaniem „sztucznego nosa” pracował m.in. również Andrew Dravnieks . Skonstruował on aparat, który w ciągu 30 minut był w stanie rozłożyć zapach człowieka na 24 różne części i określał udział ilościowy każdej z tych składowych. Po pierwszych doświadczeniach przeprowadzonych w 1956 roku Dravnieks nastrojony był bardzo optymistycznie i liczył, iż wkrótce aparat ten, w bardziej udoskonalonej formie, opuści laboratorium wyższej szkoły technicznej w Chicago . Wynalazca i konstruktor urządzenia był przekonany, że miałoby ono szerokie i praktyczne zastosowanie. Jedną z dziedzin, która z pewnością byłaby w stanie wykorzystać i docenić zalety urządzenia, według Dravnieksa, to medycyna. Wiele chorób prowadzi bowiem do zmiany zapachu ciała lub oddechu człowieka. To właśnie po zmianie zapachu można wykryć, np. niektóre schorzenia wątroby, cukrzycę i wiele innych dolegliwości. Za pomocą tego urządzenia można było by przeprowadzać również dowody ojcostwa, przy założeniu, że ciała krewnych mają podobny zapach. Zdaniem Dravnieksa poza lekarzami urządzeniem tym mogłyby posługiwać się również służby policyjne. Pozwalałoby to za pomocą „zapachowej wizytówki”, pozostawionej np. przez włamywacza w zamkniętym pomieszczeniu, wyłonić sprawcę włamania z kręgu podejrzanych. Urządzenie to byłoby również cennym nabytkiem dla wojska. Umożliwiałoby np. naprowadzenie niszczyciela łodzi podwodnych na ślad zapachowy ścieków nieprzyjacielskiej łodzi podwodnej - wykorzystując mechanizm znany w przyrodzie, taki sam, który kieruje samcem kaszalota w poszukiwaniu samicy (zapach ambry).  
Niestety od tego czasu i wyrażanych ogromnych nadziei, co do możliwości zastosowania urządzenia, nie doczekaliśmy się zarówno kontynuacji prac badawczych w tym kierunku, jak również szerszych prób jego zastosowania.
W Stanach Zjednoczonych prace nad aparatem do identyfikacji zapachów prowadziły także zakłady General Electric Company (GEC) . W kwietniu 1965 roku zakłady te podały informację, że dokonały przełomu w pracach nad urządzeniem, które może pobierać próbki powietrza i poddawać je natychmiastowej analizie chemicznej. Według podanych informacji urządzenie to pracować miało na zasadzie wykrywania w atmosferze zwiększonej koncentracji jąder substancji wydzielanych przez organizm ludzki. Analiza opierać się miała o 401 różnych składników zapachu człowieka. Część tych składników wykrywacz chemiczny mógł również „wyczuć” w powietrzu. Pierwszy wykrywacz ważył aż 225 kg, miał kształt beczki, a jego zasięg wynosił zaledwie 20 metrów. Warto w tym miejscu odnieść się do informacji, która źle interpretowana bardzo często pojawia się w krajowej literaturze przedmiotu, a dotyczy analizowanych przez powyższe urządzenie 401 składników zapachu człowieka. Jak sądzić należy na jej podstawie ukute zostało twierdzenie, że: „zapach człowieka składa się z 401 woni różnych związków chemicznych” . Teza ta jak stereotyp powraca również w szeregu wypowiedziach i opracowaniach teoretycznych. W odniesieniu do tego konkretnego przypadku zastosowanie znajduje stara zasada mówiąca, że „powszechność jakiegoś poglądu nie jest (...) żadnym dowodem, nie daje nawet prawdopodobieństwa słuszności” . Dlaczego? Subtelnie bowiem rozróżnić należy dwie rzeczy, a mianowicie zdolność aparatury (możliwości techniczne) do liczbowej analizy składników chemicznych i faktyczną złożoność zapachu ludzkiego (liczba składników). Są to całkowicie dwie różne sprawy. Informacji, że urządzenie zakładów GEC poddawało analizie 401 składników chemicznych zapachu ludzkiego nie można traktować jako równoznacznej z tym, że zapach ludzki składa się z tylu składników. Mielibyśmy wtedy do czynienia z uogólnieniem ponad naturalne jego granice.
W maju 1965 roku zakłady GEC rozpoczęły współpracę z wojskowym ośrodkiem doświadczalnym, który również pracował nad skonstruowaniem takiego urządzenia, w celu wykorzystania go podczas wojny w Wietnamie. Po podjęciu tej współpracy rozpoczęto prace w kierunku zredukowania ciężaru oraz wymiarów aparatu stworzonego przez zakłady GEC. Mimo, że był on sprawny w pracy i dawał dosyć dokładną analizę, to jednak był bardzo nieporęczny i niewygodny przy poruszaniu się w dżungli w czasie patrolowania. Jeszcze w lipcu tego roku wyprodukowano jednostkę prototypową. Zmodernizowane urządzenie miało kształt wykrywacza plecakowego nadającego się do przenoszenia przez jedną osobę. Aparatura ta składała się z sondy połączonej z bronią, przewodów i zasobnika, noszonego na plecach żołnierza. Wewnątrz sondy znajdowało się szereg filtrów. Przy pracy aparatu powietrze zasysane było za pomocą pompki, rozmieszczonej w zasobniku, który ważył już około l2 kg. Po przejściu przez filtry powietrze podawane było do analizatora, również umieszczonego w zasobniku. Chemiczna analiza wykazywała w ciągu krótkiego okresu czasu, czy w powietrzu pobranym przez sondę nie znajduje się jeden ze wspomnianych wyżej 401 składników chemicznych wydzielanych przez organizm człowieka, a analizowanych przez urządzenie. Zgodnie z informacjami, jakie podano, aparatura wykrywająca ludzi „wyczuwała” ich na dużą odległość, przewyższającą podobno nawet zasięg skutecznego ognia zamaskowanego pododdziału. Wadą tej aparatury było natomiast to, że nie odróżniała wojsk własnych od nieprzyjaciela. Dlatego też podjęto prace nad udoskonaleniem aparatury zmierzające do umożliwienia rozróżnienia żołnierzy różnych armii .
Wspomniany wojskowy ośrodek doświadczalny nie poprzestał na opracowaniu tylko tej jednej wersji projektu. W tym samym czasie przystąpiono do badań nad stworzeniem innych wersji. Prowadzono mianowicie prace nad systemami wykrywania przeznaczonymi do zastosowania w samolocie. Koncepcja ta zmierzała do zwiększenia zdolności wykrywania samolotów rozpoznawczych przez wyposażenie pilotów w urządzenia umożliwiające wykrycie oddziałów przesuwających się pod osłoną dżungli lub ukrytych w okopach. Po pewnym czasie skonstruowano aparat lotniczy o zasięgu wykrywania rzędu kilkuset metrów .
Wiadomo, że zarówno plecakowe, jak i samolotowe wersje urządzenia do wykrywania ludzi używane były przez Amerykanów podczas wojny w Wietnamie. Do dziś jednak brak szczegółów dotyczących działania tych aparatów. Nie wiadomo również, czy urządzenia te mogłyby rozróżnić zapachy poszczególnych osób, a więc, czy można byłoby wykorzystać je do identyfikacji kryminalistycznej.
W latach sześćdziesiątych uczyniono kolejny krok. Zaczęto oceniać automatycznie wyniki analiz chromatografii gazowej za pomocą elektronicznych integratorów.
W następnych latach zaznaczyła się tendencja do przetwarzania danych ilościowych i jakościowych przez sprzęgnięcie przyrządów analitycznych z centralnym komputerem. Postępujący rozwój w dziedzinie elektroniki doprowadził wkrótce do skonstruowania sprawnych urządzeń oceniających, których pojemność i koszty pozwalały na ich użycie w bezpośrednim połączeniu z jednym lub kilkoma analitycznymi urządzeniami w laboratorium.
W tym czasie rozwinęła się również produkcja chromatografów gazowych sterowanych przez mikroprocesory, w których obok opracowywania danych zachodzi także sterowanie urządzeń analitycznych przez mikrokomputer . 
Dzisiaj - w efekcie tych wszystkich prowadzonych prac i osiągnięć - istnieje już wiele rodzajów „nosów elektronicznych”. Zasady, dzięki którym wszystkie te urządzenia rejestrują lotne substancje, na pewno nie mają nic wspólnego z mechanizmem odbierania zapachów przez zwierzęta.
Każdy „nos techniczny” zawiera czujnik tzw. sensor, którym jest na ogół przewodzący polimer (odpowiednio przekształcona polianilina lub polipirol) albo kryształ tlenku metalu (najczęściej Sn02). Ten właśnie sensor jest zasadniczym elementem wykrywającym lotną substancję. Jest on pokryty cienką warstwą innej substancji, której zadaniem jest wychwycenie i "przyklejenie" lotnego składnika z powietrza. Polimer lub tlenek metalu reaguje na to zmianą oporności elektrycznej. W ten sposób informacja chemiczna zostaje przetworzona na sygnał elektryczny.
Ostatnio coraz częściej stosowane są także tzw. mikrowagi kwarcowe. Są to kryształy, w których zmienia się częstotliwość drgań, gdy zaadsorbują się na ich powierzchni cząsteczki lotnego związku. Czujników w elektronicznym nosie jest na ogół kilkanaście. Każdy jest czuły na inny rodzaj substancji, podobnie jak biologiczne receptory węchowe. Dane zebrane przez wszystkie czujniki poddawane są obróbce komputerowej. Analiza ta ma jednak na celu identyfikację mieszaniny, a nie konkretnego związku. Można ją przedstawić w postaci graficznej (słupków lub wykresów) i następnie samodzielnie rozpoznawać mieszaninę. Informatyka oferuje jednak lepszą metodę. Do opracowania złożonych, pełnych szumów danych znakomicie nadają się programy typu „patern recognition” (rozpoznawania wzorca) lub sieci neuronowe. Taką sieć neuronową można wyobrazić sobie jako system połączonych neuronów, których wzajemne oddziaływanie prowadzi do przetworzenia danych. Jest to więc analog mózgu - co prawda dosyć daleki od biologicznego wzorca. Podobnie jak mózg sieć neuronowa może się uczyć, a nie wymaga programowania. W procesie rozpoznawania wzorca, czyli zapachu, odwołuje się ona do zgromadzonych uprzednio danych, tzw. „pamięci” . 
Jest to jednak dosyć ogólny opis „elektronicznych nosów”. Technologia jest opatentowana i szczegóły stanowią tajemnicę handlową. Zastosowania ich zaś są rozliczne. Największym popytem cieszą się one w przemyśle spożywczym. Pierwszy komercyjny czujnik miał zastosowanie dość zabawne. Użyto go, bowiem do odnajdywania - szczególnie cenionych w kuchni francuskiej - trufli, które do tej pory wyszukiwane były przez psy lub świnie. Najlepsze z elektronicznych nosów potrafią rozróżnić gatunki piwa, kawy i bezalkoholowych napojów chłodzących. Sprawdzają się także nie najgorzej nawet w tak subtelnej sztuce, jak określanie roczników win i gatunków whisky. Sztuczne systemy węchowe stosuje się również do oceny świeżości ryb, mięsa, wędlin, majonezów itp. 
Mogą one również ocenić, czy sok pomarańczowy, który „wąchają”, pochodzi na pewno z naturalnych źródeł, czy też został sztucznie doprawiony. Przeprowadzają one także kontrolę nabiału. 
Spełniła się, chociaż w części, nadzieja A. Dravnieksa o zastosowaniu technicznego nosa w medycynie. Jeden z „węszących” czujników tzw. Scan Master zastosowano do diagnozy owrzodzenia jelita grubego, normalnie badanego za pomocą szczególnie mało przyjemnej dla pacjenta endoskopii (metody z użyciem wzierników). W jednej z angielskich klinik uniwersyteckich trwa natomiast testowanie podobnych sensorów do identyfikacji rodzaju bakterii infekujących rany. Zastosowanie to rozwinęło się z badań nad środkami spożywczymi, gdy naukowcy uświadomili sobie, że to, co znajdują czujniki w psującej się żywności, jest wynikiem działania bakterii powodujących rozkład. Wykonano, więc testy na wykrywanie pospolitych bakterii i rezultaty są bardzo zachęcające. „Sztuczne nosy” dają 100% trafień w wykrywaniu gronkowca złocistego (Staphylococcus aureus) i 92%, jeśli chodzi o pałeczkę okrężnicy (Escherichia coli) .
„Elektroniczne nosy” znalazły swoje miejsce również w wojsku. Armie na całym świecie stosują detektory gazów bojowych. Wykrywają one nawet małe stężenia iperytu (gazu musztardowego) oraz gazów paraliżujących układ nerwowy, nawet w obecności benzyny, spalin i innych czynników mogących zakłócić proces detekcji.
Rozwojem „sztucznych nosów” już od lat zainteresowany jest przemysł perfumeryjny. Chodzi tu przede wszystkim o zdobycie niepodważalnych i obiektywnych dowodów w sprawach podrabiania markowych perfum. Dość łatwo jest przecież sfałszować zapach słynnych perfum, tym bardziej, że skład wielu z nich jest znany (np. Chanel N° 5). Nie zawsze też ludzki nos wychwytuje subtelne różnice w wielkiej gamie zapachów. A ponieważ sztuczne systemy węchowe nie kierują się kryteriami estetycznymi, a jedynie jakościowo - ilościowymi, to mogą czasem sobie łatwiej z tym problemem poradzić . 
Licznie prowadzone prace przez zespoły naukowców pozwoliły na opracowanie specjalnych systemów do wykrywania śladowych ilości narkotyków, takich jak: kokaina, heroina, amfetamina i PCP. Opracowano także systemy wykrywające materiały wybuchowe, które są stosowane już w większości krajów np. do przeszukiwania przesyłek, kontrolowania bagażu, pojazdów, osób itp. Mogą one mieć zastosowanie także w wielu innych wypadkach, gdyż są to urządzenia przenośne.

 

 

Rycina 1. Nos „sztuczny” a prawdziwy - schemat autora za Pecul M., 1998 r.


Systemy te działają w oparciu o wykorzystanie chromatografów gazowych o dużej prędkości i detektorów chemilumiscencyjnych o wysokim stopniu selektywności i czułości . Wykorzystywane są one głównie na przejściach granicznych
„Sztuczny nos” od dawna leży także w kręgu zainteresowań kryminalistyki. Zastąpienie psich nosów, powtarzalnym czujnikiem, z którego wydruk można by prezentować w trakcie postępowań sądowych - byłoby zapewne dużym przełomem w identyfikacji osób na podstawie śladów zapachowych. Jednakże dotychczas zastosowanie metod instrumentalnych do identyfikacji zapachów ludzi na podstawie śladów pozostawionych przez sprawców na miejscach zdarzeń jest praktycznie niemożliwe, ponieważ współczesne urządzenia techniczne pozwalają jedynie na badanie zapachów pod kątem poszczególnych ich składowych, a cykl badawczy jest stosunkowo długi. Trudność stanowi również kontrolowanie stężenia gazu w sposób ciągły. Urządzenia zaś wyprodukowane do ciągłej analizy są kalibrowane na określony rodzaj gazu i są w związku z tym nieselektywne . Ponadto jedną z barier w zastosowaniu urządzeń technicznych jest fakt, iż możliwości badawcze substancji zamykają się granicą 1 x 10-12-10-13 grama, a w przypadku śladów zapachowych zabezpieczanych na miejscach zdarzeń możemy mieć do czynienia z substancjami dużo mniejszymi.

Aktualizowano: 27.12.2009 r.

Wszelkie prawa zastrzeżone © Wortale.net