เซนเซอร์กระดาษดมก๊าซจากอาหารที่เน่าเสีย

รูปจาก https://spectrum.ieee.org/biomedical/devices/electronic-noses-sniff-success

 

          ขยะอาหารเป็นปัญหาระดับโลกที่ส่งผลกระทบร้ายแรงต่อทั้งเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อม มีการประเมินว่า 30% ของปริมาณอาหารที่ผลิตขึ้นสำหรับการบริโภคทั่วโลกถูกทิ้งให้กลายเป็นขยะ และตัวการหลักที่ทำให้เกิดขยะอาหารคือผู้บริโภคอย่างพวกเราเอง พวกเราทิ้งอาหารเมื่อเห็นว่ามันเลยวันหมดอายุไปแล้ว แต่ตัวเลขนี้ไม่ได้บอกอย่างแน่ชัดว่าอาหารมันเน่าเสียแล้วจริงๆ เพราะว่ามันเป็นเพียงแค่ตัวเลขการประมาณ การเน่าเสียของอาหารยังสามารถเกิดขึ้นได้จากเหตุจากปัจจัยอีกหลายๆ อย่าง เช่น กระบวนการผลิตอาหาร และการเก็บรักษาอาหาร  


          เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมนักวิจัยจากอังกฤษ อิตาลี และออสเตรเลีย ได้พัฒนาเซนเซอร์ราคาถูกจากกระดาษที่สามารถตรวจจับก๊าซที่เกิดจากการเน่าเสียของอาหารได้ ^[1] นักวิจัยทดลองติดตั้งเซนเซอร์กระดาษไว้บนบรรจุภัณฑ์อาหารเพื่อให้มันคอยดมกลิ่นก๊าซจากการเน่าเสียของอาหารที่อยู่ภายใน และยังออกแบบให้ผู้บริโภคสามารถใช้มือถืออ่านสัญญาณที่วัดได้จากเซนเซอร์กระดาษแบบไร้สายในระยะใกล้ ซึ่งทำให้ผู้บริโภคสามารถรู้ได้อย่างแน่ชัดว่าอาหารเน่าเสียแล้วหรือยัง การวิจัยนี้เป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาบรรจุภัณฑ์อัจฉริยะที่สามารถบ่งบอกอาการเน่าเสียของอาหารได้แบบ real-time ซึ่งจะช่วยลดปัญหาขยะอาหารได้ในอนาคต   


          เซนเซอร์กระดาษมีราคาถูกเพราะไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุพิเศษราคาแพงในการตรวจจับก๊าซ โดยปกติแล้วในอากาศจะมีโมเลกุลน้ำลอยล่องปะปนอยู่กับโมเลกุลอากาศซึ่งทำให้อากาศมีความชื้น โมเลกุลน้ำเหล่านี้จะถูกตรึงด้วยเส้นใยเซลลูโลสของกระดาษให้ติดแหนบอยู่บนแผ่นกระดาษ เช่นที่ระดับความชื้นสัมพัทธ์ 50% จะมีโมเลกุลน้ำ 5 กรัมในทุกๆ โมเลกุลน้ำ 100 กรัมที่ถูกตรึงไว้บนพื้นผิวของกระดาษ กระบวนการนี้เกิดขึ้นอย่างเป็นธรรมชาติซึ่งส่งผลให้กระดาษมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้น และค่าการนำไฟฟ้าจะสูงขึ้นตามค่าความชื้นสัมพัทธ์ที่สูงขึ้น แต่จะไม่เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ  


          จากนั้นถ้ามีก๊าซที่สามารถละลายได้ในน้ำตกลงไปในฟิล์มบางของน้ำดังกล่าว ก๊าซจะเกิดการแตกตัวให้ไอออนบวกและไอออนลบภายในฟิล์มน้ำ ปริมาณไอออนที่เพิ่มมากขึ้นจะทำให้กระดาษนำไฟฟ้าได้มากขึ้น ดังนั้นเราจึงสามารถตรวจจับการเน่าเสียของอาหารได้โดยวัดค่าการนำไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงไปเทียบกับค่าการนำไฟฟ้าตั้งต้น 
 

          การนำไฟฟ้าของกระดาษเปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีก๊าซที่ละลายได้ในน้ำตกลงบนพื้นผิวของกระดาษ ^[1]

          นักวิจัยเตรียมเซนเซอร์กระดาษโดยใช้เพียง กระดาษโครมาโทกราฟฟี (Chromatography paper)  ปากกาลูกลื่นพร้อมด้วยหมึกคาร์บอน และคัตเตอร์ อุปกรณ์เหล่านี้ทำให้นักวิจัยสามารถเตรียมตัวต้นแบบได้อย่างรวดเร็ว ง่ายดาย และที่สำคัญคือราคาถูก หมึกคาร์บอนทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าซึ่งจะถูกวาดลงบนแผ่นกระดาษด้วยปากกาลูกลื่น ส่วนคัตเตอร์นั้นจะใช้สำหรับตัดเซนเซอร์กระดาษหลายๆ อันเพื่อนำมาต่อเข้าด้วยกัน 


          วิธีการทำเซนเซอร์กระดาษมีดังต่อไปนี้ 


          1.    ใช้ปากกาลูกลื่นพร้อมด้วยหมึกคาร์บอนวาดขั้วไฟฟ้าซึ่งมีลักษณะดังแสดงในรูปด้านล่างลงไปบนแผ่นกระดาษโครมาโทกราฟฟี 

     
วาดขั้วไฟฟ้าคาร์บอนลงบนแผ่นกระดาษโครมาโทกราฟฟี ^[1]

 

        2.    ตัดเซนเซอร์กระดาษด้วยคัตเตอร์ แล้วนำมาต่อเข้าด้วยกันแบบอนุกรมเพื่อเพิ่มสัญญาณไฟฟ้าบนแผ่นกระดาษการ์ด 

ตัดและต่อเซนเซอร์กระดาษหลายตัวเข้าด้วยกัน ^[1]

    
ชุดทดลองตรวจจับก๊าซจากการเน่าเสียของเนื้อปลาและเนื้อไก่ในกล่องพลาสติก ^[1]

          จากการทดลองเป็นเวลานานหลายชั่วโมงที่อุณหภูมิห้อง นักวิจัยพบว่าค่าการนำไฟฟ้าของเซนเซอร์กระดาษในกล่องที่มีเนื้อเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน ในขณะที่ค่าการนำไฟฟ้าของกล่องควบคุมมีค่าคงที่ไม่เปลี่ยนแปลง เมื่อเปรียบเทียบความว่องไวแล้วพบว่า ความว่องไวของกล่องที่มีเนื้อมีค่าเพิ่มขึ้นถึง 900% จากความว่องไวของกล่องควบคุมเมื่อเวลาผ่านไปประมาณ 48 ชั่วโมง เทคนิคการนับจำนวนแบคทีเรียในตัวอย่างชิ้นเนื้อบ่งบอกว่าเวลาที่เนื้อปลาเริ่มเน่าเสียคือ 10 ชั่วโมงและเนื้อไก่คือ 70 ชั่วโมง ดังนั้นเนื้อปลา 100 กรัมและเนื้อไก่ 100 กรัมจะเริ่มเน่าเสียเมื่อความว่องไวเพิ่มขึ้นประมาณ 400% และ 1200% ตามลำดับจากความว่องไวของกล่องควบคุม 

 

ความว่องไวของเซนเซอร์กระดาษในการตรวจจับก๊าซแอมโมเนียจากการเน่าเสียของเนื้อไก่ (รูปซ้าย) 

และเนื้อปลา (รูปขวา) ที่อุณหภูมิห้อง จุดสี่เหลี่ยมเป็นความว่องไวของกล่องควบคุม ^[1]

          นักวิจัยยังสาธิตให้เห็นถึงศักยภาพในการนำเซ็นเซอร์กระดาษไปต่อยอดใช้งานจริงในเชิงพาณิชย์ โดยการติดตั้งเซนเซอร์กระดาษเข้ากับ tag อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถสื่อสารในระยะใกล้ (near-field communication หรือ NFC) แบบไร้สายกับโทรศัพท์เคลื่อนที่ได้ เซนเซอร์กระดาษมีขนาดเล็กพอที่จะต่อเข้ากับ IC (integrated circuit) ของ tag อิเล็กทรอนิกส์ มือถือจะสามารถอ่านสัญญาณจาก tag ได้ก็ต่อเมื่อก๊าซแอมโมเนียมีปริมาณต่ำกว่าปริมาณที่บ่งชี้ว่าอาหารเกิดการเน่าเสีย แต่สัญญาณจะหายไปถ้าปริมาณของก๊าซแอมโมเนียมีค่าสูงกว่าค่าดังกล่าวนี้ ดังนั้นมือถือจะสามารถแสดงสัญญาณเป็นสีแดง (อาหารเน่าเสียแล้ว) และสีเขียว (อาหารยังไม่เน่าเสีย) ได้อย่างรวดเร็วแบบ real-time 
 

 

เซนเซอร์กระดาษที่ติดตั้งเข้ากับ tag อิเล็กทรอนิกส์จะทำให้มือถือสามารถสื่อสารกับเซนเซอร์กระดาษแบบไร้สายในระยะใกล้ได้ ^[1]

เรียบเรียงโดย

ดร. ปิยวัฒน์ ทัพสนิท
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

อ้างอิง
^[1] G. Barandun, M. Soprani, S. Naficy, M. Grell, M. Kasimatis, K. L. Chiu, A. Ponzoni, and F. Güder, “Cellulose Fibers Enable Near-Zero-Cost Electrical Sensing of Water-Soluble Gases,” ACS Sens. 2019, 4, 1662−1669 (2019).