Mũi và mũi điện tử

Vậy hiện tượng lan truyền và cảm nhận được mùi không phải là một hiện tượng vật lý chăng? Có thể nói rằng đúng mà cũng có thể là chưa thật đúng. Vì nếu đi sâu vào để tìm hiểu vấn đề mùi, khó phân biệt được đâu là sinh, hoá, lý. Chẳng thế mà giải Nobel năm 2004 trao cho hai nhà khoa học Richard Axel và Linda Buck với công trình: “Các cảm nhận mùi và tổ chức của hệ khứu giác” là giải Noebl thuộc lĩnh vực Sinh, Y (Physiology or Medecine) nhưng sử dụng những kiến thức về cảm nhận mùi hiện nay để làm ra mũi nhận tạo, có tên là mũi điện tử (electronic nose hay e –nose) lại là công việc của những nhà vật lý.

1. Cơ chế mũi ngửi được mùi

Ta tìm hiểu nguyên tắc hoạt động ngửi mùi của mũi và từ đó hiểu được mũi điện tử làm việc như thế nào, có công dụng ra sao. Mũi ngửi được mùi của vật gì là do từ vật đó có các phân tử đặc biệt bay ra, hoà trộn với các phân tử không khí, khi hít thở nếu các phân tử mùi đó lọt được vào trong mũi thì mũi cảm nhận được, báo cho não biết là có mùi.

Một miếng sắt to nhưng ta không ngửi thấy mùi gì cả. Đó là do sắt không toả ra phân tử mùi nào vào không khí. Một khóm hoa dạ hương đêm đến mới cho mùi thơm ngào ngạt, ở xa hàng trăm mét mũi vẫn ngửi thấy. Đó là vì đêm đến các cánh hoa nhỏ xíu của dạ hương mới mở để các phân tử mùi đặc biệt của dạ hương bay ra lan toả vào trong không khí. Dẫu chỉ vài ba phân tử mùi, trong hàng triệu triệu phân tử không khí, mũi ta vẫn ngửi thấy được. Ta phải hít nhẹ nhẹ để thưởng thức mùi hoa thoảng thoảng là để các phân tử mùi lẫn trong không khí đến mũi được nhiều hơn. Nhưng mũi cảm nhận được mùi theo cơ chế nào? Trong mũi phía trên hai hốc mũi (hình 1) có một nơi diện tích chỉ to hơn diện tích con tem thư một chút, tập trung rất nhiều (cỡ 5 triệu) tế bào đặc biệt gọi là tế bào cảm nhận mùi(odorant receptor cell). Chúng gần như nằm song song nhau, kết lại thành một lớp đặc biệt gọi là biểu mô khứu giác(olfactory epithelium). Phía ngoài biểu mô này, nơi tiếp xúc với không khí, có một lớp rất mỏng hơi nhầy nhầy. Đó là nơi mà một trong hai đầu của tế bào cảm nhận mùi hướng ra ngoài. Đầu mút rất đặc biệt này của tế bào gọi là cảm nhận mùi(olfactory receptor). Khi ta hít thở vào, nếu trong không khí có các phân tử mùi chúng sẽ bị bắt dính vào các cảm nhận mùi. Đây không phải là sự dính vào một cách đơn giản. Cấu tạo của cảm nhận mùi không phải là tất cả đều giống nhau. Chúng chia thành nhiều nhóm nhỏ, mỗi nhóm chỉ bắt dính một loại phân tử mùi theo kiểu móc nối các liên kết hoá học. Một khi cảm nhận mùi nào của tế bào bắt dính dược một phân tử mùi, cấu trúc của tế bào bị thay đổi một chút, kích thích cho tế bào hoạt động trao đổi ion. Kết quả là từ tế bào phát sinh ra các tín hiệu điện để theo dây thần kinh hướng đến báo tin cho não. Nhưng không phải tế bào cảm nhận mùi nào cũng có thể có dây thần kinh để dẫn thẳng tín hiệu điện đến não. Có một vùng trong đầu ở phía trên lớp biểu mô khứu giác có tên là hành khứu giác(olfactory bulb) vì nó có dạng của củ hành. Trong hành khứu giác có các khứu cầu(glomerulus), mỗi khứu cầu có một vị trí xác định. Mỗi tế bào khứu giác thuộc nhóm giống nhau (có cảm nhận mùi như nhau) đều có một dây thần kinh dẫn đến tập trung vào một khứu cầu, từ khứu cầu đó chỉ có một dây thần kinh đến não. Như vậy khi nhận được tín hiệu điện, não nhận biết ngay được là tín hiệu điện từ khứu cầu nào đến, tức là mùi gì (do loại phân tử mùi gì gây ra). Nói cách khác não nhận biết được mùi theo địa chỉ của khứu cầu ở hành khứu giác đã gửi tín hiệu điện đến não.

Cũng giống như màu sắc ở ánh sáng, một mùi tự nhiên nào đó, thí dụ mùi của hoa bưởi là tổ hợp của một số phân tử mùi khác nhau bay đến mũi. Não của vật có khứu giác càng phát triển thì càng có khả năng phân biệt được nhiều tổ hợp như vậy, tức là nhận và phân biệt được nhiều mùi.

Hoạt động của hệ khứu giác

2. Tế bào cảm nhận mùi bị kích thích và gửi tiến hiệu điện.

3. Tín hiệu điện tập trung vào các khứu cầu.

4. Tín hiệu điện chuyển về não

2. Mũi người và mũi động vật

Tính ước chừng thì mũi ngườicó khoảng 5 triệu tế bào cảm nhận mùi, tập trung ở lớp biểu mô khứu giác có diện tích cỡ 7 cm vuông, có thể ngửi và phân biệt được cỡ 1000 mùi khác nhau.

Chó là loài có khứu giác phát triển nhất. Mũi chócó đến 250 triệu tế bào cảm nhận mùi, tập trung ở lớp biểu mô khứu giác rộng đến 170 cm ²(gấp khúc, uốn éo qua lại…) và chó ngửi phân biệt được 10.000 mùi khác nhau. Trong một nghìn tỷ phần tử không khí đi qua mũi chó, nếu có vài ba phần tử mùi trà trộn vào thì chó vẫn phân biệt được.

Người lợi dụng khả năng đặc biệt về khứu giác của chó để huấn luyện chó phục vụ con người. Thí dụ người ta biết rằng trong một phút da người thải ra cỡ 50 triệu vảy tế bào đã chết, các vẩy này có thấm mồ hôi và nhiều loại phân tử mùi đặc trưng của từng người.

Thí dụ một tên gian đi qua hoặc đụng chạm vào một vật gì đó, tuy rất ít, không thấy được nhưng thực sự đã để lại trên vật, trong không khí chung quanh một ít phân tử mùi đặc trưng. Chó nghiệp vụ được huấn luyện cho ngửi cái khăn, chiếc giày hoặc một chỗ nào đó mà kẻ gian đã đụng chạm vào, chó nhớ lấy đó và tìm tòi lục sạo khắp nơi, nơi nào có các phân tử mùi giống như vậy thì sủa to, báo cho chủ biết. Nhờ khứu giác tốt chó tỏ ra rất đắc lực theo dõi dấu vết tìm ra kẻ gian, tìm ra nơi có người bị vùi lấp lúc nhà bị đổ, động đất, ngửi tìm ma tuý.. Gần đây người ta cũng tìm cách huấn luyện chó tìm bệnh. Thí dụ tế bào ung thư có toả ra một số mùi đặc biệt chỉ có chó mới phát hiện được. Chó có thể ngửi ra mùi đó trong nước bọt, nước tiểu của người bệnh.

Mũi chuộtcũng rất thính, đứng thứ hai sau chó nhưng khó huấn luyện chuột nên khứu giác tốt của chuột chủ yếu được dùng làm thí nghiệm. Nhiều loại côn trùng có các tế bào cảm nhận mùi ở râu, tức là chúng ngửi bằng râu.

3. Mũi điện tử

Từ tìm hiểu được kỹ cơ chế ngửi mùi của mũi người, mũi động vật, vật lý đã bắt đầu chế tạo được mũi nhân tạo, có tên mũi điện tử (electronic nose) có khi gọi tắt là e-nose.

Mũi điện tử dùng để làm gì và làm việc theo nguyên tắc nào? Mũi điện tử dùng để ngửi mùi, tức là cảm nhận được một số phân tử mùi trong không khí. Mũi điện tử gồm có 3 phần chính.

- Cảm biến tác dụng như là tế bào cảm nhận mùi ở mũi động vật. Phân tử mùi đến làm cảm biến thay đổi, tạo ra tín hiệu điện gửi đi.

- Bộ vi xử lý tác dụng như hành khứu giác nhận các tín hiệu điện, phân ra từng loại để tiếp tục gửi đi.

- Bộ máy tính hoạt động như não người: nhận tín hiệu điện, phân biệt từ đâu đến, tương ứng với mùi gì đã ghi ở bộ nhớ và cho kết quả hiện ra lên màn hình.

Mũi điện tử có thể là rất to nhưng cũng có thể có loại nhỏ cầm tay được (hình 2). Bộ phận tinh vi nhất của mũi điện tử là cảm biến mùi, có thể là polyme dẫn điện, tranzito trường, cân thạch anh, sóng âm..

Thí dụ ở cảm biến dùng polyme dẫn điện, người ta chế tạo polyme sao cho phân tử mùi một loại nào đó bám dính vào đó được (bám dính có chọn lọc). Khi có phân tử mùi bám dính, điện trở của polyme thay đổi làm cho dòng điện qua polyme thay đổi. Các biến thiên dòng điện này được gửi về bộ vi xử lý và bộ máy tính. Người ta có thể làm mũi điện tử rất nhạy chỉ nhận biết được một vài mùi, thí dụ nhận biết được mùi của một loại tế bào ung thư. Trong trạm du hành vũ trụ, buồng của phi công có mũi điện tử chuyên ngửi khí amoniac vì nếu có khí này bị hở bay ra rất ảnh hưởng đến sức khoẻ của người du hành (quanh buồng ở của các nhà du hành có rất nhiều ống khí amoniac làm các nhiệm vụ kỹ thuật).

Mũi điện tử có nhiều ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, công nghệ môi trường, bảo vệ khỏi cháy nổ, kiểm tra ma tuý..

Mũi điện tử