Geruchsanalyse Elektronische Nase erschnüffelt Minzdüfte

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Ob Pfefferminze oder Katzenminze – ein neuartiger Sensor ist darauf spezialisiert, verschiedene Minzdüfte zu unterscheiden. Die elektronische Nase von Entwicklern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) kann so in der Qualitätskontrolle helfen, Produktfälschungen aufdecken und perspektivisch auch für die medizinischen Diagnostik angepasst werden.

Karlsruhe – In der Natur locken Pflanzen mit Duftstoffe Insekten an. „Bislang kennt die Forschung schätzungsweise 100.000 unterschiedliche biologische Verbindungen, über die benachbarte Pflanzen miteinander interagieren oder andere Organismen wie Insekten steuern“, sagt Professor Peter Nick vom Botanischen Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). „Diese Verbindungen sind bei Pflanzen der gleichen Gattung sehr ähnlich.“ Ein klassisches Beispiel in der Pflanzenwelt sei die Minze, bei der die verschiedenen Sorten mit sehr artspezifischen Duftstoffen ausgestattet seien. Insbesondere die industrielle Überwachung von Minzöl unterliege zum Vermeiden von Fälschungen einer strengen gesetzlichen Regelung, sei zeitaufwändig und erfordere viel Geschick, wie Nick ausführt.

Zu diesem Zweck hat er mit einem Forscherteam eine neue elektronische Nase auf Basis von Sensoren mit kombinierten Materialien entwickelt und bereits mit sechs unterschiedlichen Minzarten erprobt.

Zwölf Riechzellen aus Quarz

Die Wissenschaftler haben sich für die neuartige elektronische so weit wie möglich am biologischen Vorbild orientiert: In dem mechanischen Modell sind zwölf spezielle Sensoren (Quartz Crystal Microbalance-, kurz QCM-Sensoren) verbaut, die als Geruchszellen dienen. Sie bestehen aus zwei Elektroden mit einem Quarzkristall. Solche Bauteile sind auch in Mobiltelefonen verbaut, da sie kostengünstig eine hohe Genauigkeit der Mobilfunkfrequenzen ermöglichen.

Und so funktionieren die künstlichen Riechzellen: „Die Duftstoffe der Minze lagern sich auf der Oberfläche der Sensoren ab. Dadurch ändert sich deren Resonanzfrequenz, und wir erhalten eine Reaktion auf den jeweiligen Duft“, erläutert Professor Christof Wöll vom Institut für Funktionale Grenzflächen (IFG). Duftstoffe bestehen aus organischen Molekülen in unterschiedlicher Zusammensetzung. Damit die neuen Sensoren diese aufnehmen können, haben die Forscher spezielle Sensormaterialien verwendet, u. a. die am IFG entwickelten Metall-Organischen Gerüststrukturen (engl. Metal-Organic Frameworks, kurz MOFs). „Diese Materialien sind hochporös und für Sensor-Anwendungen besonders gut geeignet, weil sie wie ein Schwamm viele Moleküle aufnehmen können“, erklärt Wöll. „Durch die Kombination der Sensoren mit den unterschiedlichen Materialien verschalten wir quasi ein neuronales Netzwerk.“

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Die elektronische Nase haben die Wissenschaftler mit sechs verschiedenen Minzarten getestet – darunter klassische Pfefferminze, Pferdeminze und Katzenminze. „Mit unterschiedlichen Methoden des Maschinellen Lernens trainieren wir die Sensoren so, dass sie aus den gesammelten Daten den Fingerabdruck des jeweiligen Dufts erstellen und so die Düfte voneinander unterscheiden können“, erläutert Wöll. Nach jeder Duftstoff-Probe müssen die Forscher die Nase etwa eine halbe Stunde lang mit Kohlendioxid (CO₂) durchspülen, damit die Sensoren regenerieren.

Die Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsteams haben gezeigt, dass die elektronische Nase mit QCM-Sensoren Minzdüfte mit hoher Spezifität einer Art zuordnen kann. Zusätzlich sei sie den Forschern zufolge eine benutzerfreundliche, zuverlässige und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Methoden wie Massenspektrometrie. Für die Weiterentwicklung stehen Sensoren im Fokus, die schneller regenerieren und dann erneut Gerüche aufnehmen können. Weiterhin konzentrieren sich die Forscher vom IFG auf MOF-Materialien, um diese für andere Anwendungsbereiche wie beispielsweise für die künstliche Geruchserfassung in der medizinischen Diagnostik auszugestalten.

Originalpublikation: Salih Okur, Mohammed Sarheed, Robert Huber, Zejun Zhang, Lars Heinke, Adnan Kanbar, Christof Wöll, Peter Nick, Ulrich Lemmer: Identification of Mint Scents Using a QCM Based E-Nose, Chemosensors 2021, 9, 31; DOI: 10.3390/chemosensors9020031

* A. Seebauer, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 76131 Karlsruhe

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