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Elektronische Nase Künstliches Riechen – Duftanalyse mit steter Präzision

| Autor / Redakteur: Jörg Volk* / Christian Lüttmann

Riechen kann jeder. Aber Düfte beurteilen und einordnen ist selbst für Profis eine Herausforderung. Hier kann die elektronische Nase helfen, die am Karlsruher Institut für Technologie mitentwickelt wurde. Denn sie riecht immer gleich gut und muss nie einen Schnupfen fürchten.

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Abb.1: Mit der „eNase“ lassen sich Gerüche erfassen und deren Intensität einordnen.
Abb.1: Mit der „eNase“ lassen sich Gerüche erfassen und deren Intensität einordnen.
(Bild: ©saksit; ©apimook - stock.adobe.com; Smelldect)

Ob frisch gewaschene Wäsche, der minzige Duft von Zahnpasta oder der typische „Neuwagengeruch“ im Auto – Düfte spielen eine große Rolle in unserem Alltag. Und viele Unternehmen setzen einiges dafür ein, um das Geruchserlebnis ihrer Produkte zu optimieren und bestmöglich an die Kundenwünsche anzupassen. Obwohl ein Duft aus dutzenden oder hunderten Einzelkomponenten bestehen kann, zählt dabei letztlich nur der Gesamteindruck in der menschlichen Nase. Da jeder Mensch Gerüche etwas anders wahrnimmt, ist eine Einstufung von Gerüchen nur mithilfe großer Stichproben durch Probanden in so genannten Sensorik-Panels realisierbar. Für bessere Reproduzierbarkeit in der Duftbewertung kann der Einsatz einer elektronischen Nase sorgen.

Eine Nase aus Metall und Kunststoff

Die Firma Smelldect hat eine solche elektronische Nase zusammen mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt. Die Funktionsweise der „eNase“ basiert auf der Wechselwirkung von gasförmigen Komponenten mit metalloxidischen Nanomaterialien. Diese Wechselwirkung wird elektronisch in Form einer Widerstandsänderung ausgelesen. Statt 20 bis 30 Millionen Riechzellen wie beim Mensch, besteht der Sensor der „eNase“ aus 16 Subsensoren, welche unterschiedlich auf die Gasbestandteile reagieren. So entsteht ein Signalmuster aus 16 Widerständen, welches charakteristisch für die entsprechende Gaszusammensetzung ist. Die Anzahl der Subsensoren kann beliebig erhöht oder verringert werden. So wäre ein Sensor mit z.B. 60 Subsensoren ohne Weiteres denk- und realisierbar. Inwieweit eine Erhöhung der Subsensoranzahl einen Mehrwert bringt bzw. was die benötigte Minimalanzahl an Subsensoren ist, ist noch Gegenstand der Forschung. Die aktuell eingesetzten 16 Subsensoren führen jedoch bereits jetzt in verschiedensten Messszenarien, ohne dass sie extra beheizt werden müssen, zu reproduzierbaren und verlässlichen Ergebnissen.

Die Ausleseelektronik der „eNase“ wird mit einer Versorgungsspannung von 5 V betrieben. Über (Micro-)USB, RS485 oder Ethernet kann sie mit dem PC verbunden und mittels einer entsprechenden Software gesteuert werden. Um während der Messung konstante Umgebungsbedingungen zu gewährleisten, ist der Sensor-Chip in einer Einhausung mit definiertem Gasein- und -auslass untergebracht. Der Chip bzw. die Einhausung wird dabei kontinuierlich mit einem Gasfluss in der Größenordnung von 1 L min–1 (Pressluft) durchströmt. Der Aufbau erlaubt es, in einem parallel geschalteten Probengefäß eine gesättigte Gasphase des Analyten zu erzeugen, die auch Headspace genannt wird. Anschließend kann mittels Ventilschaltung die Pressluft auf das Probengefäß umgeleitet werden. Dies führt dazu, dass der Headpsace direkt über den Sensor geleitet wird. Dieser kompakte Aufbau ermöglicht es, Proben reproduzierbar, automatisiert und unter kontrollierten Bedingungen mit der „eNase“ zu analysieren.

Wie kann eine Maschine riechen?

Die Sensorik der „eNase“ kann also verschiedene Gerüche unterscheiden und deren Intensität einordnen. Doch wie vergleichbar sind die Ergebnisse mit dem Geruchseindruck einer menschlichen Nase? Um das zu überprüfen, haben Forscher von Smelldect die Geruchsintensitäten von fünf unterschiedlichen Bodenproben mit der elektronischen Nase untersucht. Als Referenz bestimmte eine menschliche Nase (Proband) die Geruchsintensität der Proben. Der Geruch bzw. die zu riechenden Einzelkomponenten sind dabei nicht näher definiert und unterscheiden sich zwischen den Proben. Die Aufgabe der „eNase“ ist es in diesem Zusammenhang nicht, die Zusammensetzung der Proben in ihren Einzelteilen zu analysieren, wie es bei der Chromatographie oder (Massen-)Spektroskopie geschieht. Weder die Art noch die absolute Konzentration von Einzelverbindungen wird beim elektronischen Riechen als Einzelparameter bestimmt. Vielmehr erfasst die elektronische Nase die Gesamtzusammensetzung bzw. die Gesamtkonzentration des Geruchs, da praktisch alle Gasphasenkomponenten zu einem gewissen Grad mit ihr wechselwirken. Dies führt zu einem charakteristischen Signalmuster, welches elek­tronisch ausgelesen wird. In die Signalmusterbildung fließen alle Einzelkomponenten ein.

Die elektronische Nase im Schnüffel-Test

Für die Testmessungen legten Forscher bei Smelldect unter Labornormalbedingungen jeweils eine ausreichende Menge (50 bis 100 g) Bodenprobe in einem gasdichten Probengefäß vor. Nach wenigen Minuten bildete sich eine gesättigte Gasphase (Headspace) im Probengefäß aus. Diese leiteten die Forscher mithilfe von Pressluft und einer Ventilschaltung direkt auf den Sensorchip. Anschließend unterbrachen sie den Zufluss zum Probengefäß wieder und leiteten die saubere Pressluft direkt über den Sensor. Nach einigen Minuten Regenerationszeit war das Messsignal dann in seinen Anfangszustand (Baseline) zurückgekehrt, also zum Messsignal für reine Pressluft. Der Sensor war damit für die nächste Messung bereit.

Abb.2: Bestimmung der Geruchsintensität von fünf Bodenproben (rot: Messsignal; blau: automatische Peakerkennung)
Abb.2: Bestimmung der Geruchsintensität von fünf Bodenproben (rot: Messsignal; blau: automatische Peakerkennung)
(Bild: Smelldect)

In Abbildung 2 ist der Messverlauf der Intensitätsbestimmung der fünf Proben dargestellt. Die Proben wurden in zufälliger Reihenfolge und in variierenden Zeitabständen gemessen. Die rote Linie im Graph repräsentiert den gemessenen Gesamtgeruchseindruck: Sie entspricht dem mittleren Signal der 16 Subsensoren zu den einzelnen Zeitpunkten. Die Messauflösung der „eNase“ liegt typischerweise bei ca. einer Messung pro Sekunde. Dies bedeutet, dass innerhalb einer Sekunde die Widerstände aller 16 Subsensoren einmal gemessen werden. Die blaue Linie stellt die automatische Peakerkennung dar, welche von einer vom KIT entwickelten Analysesoftware durchgeführt wurde. Die Messzeiten bis zur Detektion des 90%-igen Signal-Maximalausschlags liegen im Bereich von 10 bis 30 Sekunden.

Tabelle 1: Vergleich der von einer menschlichen Nase und der „eNase“ wahrgenommenen Geruchsintensitäten.
Tabelle 1: Vergleich der von einer menschlichen Nase und der „eNase“ wahrgenommenen Geruchsintensitäten.
(Bild: LABORPRAXIS (Daten: Smelldect))

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse für den Geruchseindruck einer menschlichen Nase sowie der „eNase“. Der Vergleich macht deutlich, dass sich die Bewertungen der Geruchsintensitäten korrelieren lassen. Grundsätzlich lassen sich damit die Geruchsintensitäten mittels elektronischer Nase in einem groben Raster (niedrig, mittel, hoch) den Geruchs­eindrücken einer menschlichen Nase zuordnen.

Übergreifendes Geruchsbild oft ausreichend

Etablierte Methoden, beispielsweise chromatographische und (massen-)spektroskopische Verfahren, geben präzise Informationen über Art und Konzentration der Einzelkomponenten. Mit diesen Methoden ist es möglich, ein komplexes Geruchsbild in seinen Einzelbestandteilen zu analysieren. Dies ist für eine Geruchscharakterisierung aber in vielen Fällen gar nicht nötig. So ist man bei der Entwicklung neuer Duftkompositionen oder in der Qualitätskontrolle von Düften nicht immer auf die Datenmengen von komplexen analytischen Verfahren angewiesen – zumal diese vergleichsweise aufwändig sind, vor allem in Bezug auf ihren Zeit- und Ressourcenbedarf. Hier kann der übergreifende Geruchseindruck bzw. der Eindruck für Geruchsintensität einer menschlichen Nase mitunter viel entscheidender für die Bewertung sein. Dieser lässt sich aber nicht ohne Weiteres mit den Einzeldaten eines Massenspektrometers korrelieren.

Wenn es darum geht, „riechende“ Produkte oder Materialien zu bewerten und einzuordnen, sind deshalb nach wie vor menschliche Tester mit einem geschulten „Riecher“ maßgeblich beteiligt. In Sensorik-Panels definieren sie Geruchsziele und überprüfen, ob die Geruchseindrücke bzw. Geruchsintensitäten für die menschliche Nase den gewünschten Zielen bzw. der Qualität entsprechen. Die Ergebnisse solcher Sensorik-Tests können allerdings erheblichen Fluktuationen unterliegen, u.a. durch Umwelteinflüsse, wechselndes Personal (z.B. Schichtbetrieb), HNO-Erkrankungen oder variierende Testbedingungen.

Hier bietet die elektronische Nase einige Vorteile. Sie stellt ein einfach zu handhabendes, robustes, automatisiertes und semikontinuierliches Verfahren zur Charakterisierung der Intensität von Gerüchen bzw. Geruchsgemischen dar. Diese Art des Betriebs ist u.a. von großem Interesse für Anwendungen im Bereich der Qualitätssicherung. Auch als Ergänzung zu klassischen, menschlichen Sensorik-Panels ist die „eNase“ geeignet. Dies erlaubt es einerseits, Geruchsdaten digital auszuwerten und zu speichern. Andererseits kann sie unterstützend wirken, um Fluktuation in der Geruchsbildbewertung durch unterschiedliche Probanden- bzw. Mitarbeiter zu verringern. Denn selbst bei Erkältungswetter: Die elektronische Nase hat garantiert nie einen Schnupfen und ordnet Gerüche immer gleich gut ein.

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Zur Firma Smelldect

Die der „Smelldect eNase“ zugrundeliegende Technologie wurde über die vergangenen 20 Jahre am Karlsruher Institute of Technology (KIT) entwickelt, erforscht und patentiert. Im Dezember 2017 gründeten dann die zwei Inhaber des Mikroelektronik-Unternehmens JVI und der Brandschutzfirma Fire Eater die gleichnamige Firma Smelldect, die exklusiver Lizenznehmer dieser Technologie ist. Hauptsächlich befasst sich das neu gegründete Unternehmen mit der Erschließung neuer Anwendungsfelder, der Weiterentwicklung, der Serienproduktion und dem Vertrieb. Dieses Vorhaben wird weiterhin durch eine enge Zusammenarbeit mit dem KIT, im Speziellen mit Dr. Martin Sommer vom Institut für Mikrostrukturtechnik, unterstützt.

* J. Volk, Smelldect GmbH, 75392 Deckenpfronn

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