Kohlenstoffnanoröhren machen elektronische Nase erstmals alltagstauglich
Smarter Kühlschrank der Zukunft: E-Nose warnt vor schlechtem Hühnchen und Nussallergenen
Die meisten von uns haben schon einmal den Geruchstest gemacht, um zu entscheiden, ob eine leicht abgelaufene Flasche Milch oder eine eine Woche alte Schachtel mit Essen zum Mitnehmen noch genießbar ist. Doch auch wenn die menschliche Nase recht scharfsinnig sein kann, nimmt sie nicht immer alles wahr. Jedes Jahr erkranken in den USA Millionen von Menschen an durch Lebensmittel übertragenen Krankheitserregern, die sich in unzureichend gegarten oder verdorbenen Lebensmitteln vermehren.
Carla Bassil ist Doktorandin im vierten Jahr im Fach Elektrotechnik und Informatik an der UC Berkeley und Mitglied der Javey-Forschungsgruppe.
Brandon Sánchez-Mejia/UC Berkeley
Zum Glück für unsere Mägen kann eine neue, an der UC Berkeley entwickelte „elektronische Nase“ die Gerüche verdorbener Lebensmittel viel genauer erkennen als die menschliche Nase. Sie kann zudem das Vorhandensein häufiger Lebensmittelallergene wie Walnüsse und Erdnüsse aufspüren, die für Menschen mit einer entsprechenden Empfindlichkeit tödlich sein können. Die Nase wird in einer neuen Studie beschrieben, die in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht wurde.
„Ich denke, ‚intelligente‘ Kühlschränke – die mit Sensoren ausgestattet sind, die man über das Smartphone steuern kann – wären eine großartige Anwendungsmöglichkeit für diese Art von Technologie“, sagte die Hauptautorin der Studie, Carla Bassil, Doktorandin im Fach Elektrotechnik und Informatik an der UC Berkeley. „Wie toll wäre es, wenn dein Kühlschrank dir sagen könnte: ‚Hey, dein Brokkoli wird bald schlecht, also solltest du ihn wohl besser essen‘? Oder: ‚Dein Hähnchen ist am letzten Tag‘?“
Die neue künstliche Nase besteht aus einer Anordnung von 16 winzigen Gassensoren, von denen jeder auf eine etwas andere Kombination gasförmiger Verbindungen anspricht.
„Man kann sich das wie eine Reihe digitaler Geschmacksknospen vorstellen, bei denen jeder Sensor auf diesem Chip auf einzigartige Weise auf die verschiedenen Gasmoleküle reagiert, die ihm zugeführt werden“, erklärte Bassil in einem Vortrag im Rahmen des UC Grad Slam über ihre Forschung. „Jeder dieser 16 Sensoren ist mit einer anderen Sensorfolie versehen und wandelt chemische Reaktionen zwischen der Sensoroberfläche und dem Gasmolekül in elektrische Signale um.“
Mithilfe von maschinellem Lernen trainierte Bassil ein Modell, um die Sensorantwortprofile von sieben verschiedenen Lebensmitteln zu erkennen: Erdbeere, Heidelbeere, Banane, Walnuss, Haselnuss, Cashew und Erdnuss. Außerdem trainierte sie das Modell darauf, den Geruch von rohem Hähnchenfleisch, Milch und Eiern zu erkennen – sowohl im frischen Zustand als auch nach 24 bzw. 48 Stunden Lagerung bei Raumtemperatur.
Bassil stellte fest, dass die „Nase“ empfindlich genug war, um 0,05 Gramm isolierte Walnuss zu riechen, was etwa einem Hundertstel einer durchschnittlichen geschälten Walnuss entspricht. Allerdings muss sie die Empfindlichkeit des Geräts noch in Umgebungen testen, in denen andere Gase vorhanden sind, beispielsweise wenn Walnüsse in einem Salat oder einem Kuchen enthalten sind oder wenn verdorbene Lebensmittel zusammen mit anderen Lebensmitteln im Kühlschrank liegen.
„Die Idee ist, dass wir die relative Selektivität der Gassensoren in Verbindung mit den Mustererkennungsfähigkeiten des maschinellen Lernens nutzen können, um herauszufinden, welcher Gasfingerabdruck mit dem jeweiligen Lebensmittel verbunden ist“, sagte Bassil. „Das Ergebnis ist ein Sensorchip, der weitaus empfindlicher und objektiver ist, als es jede menschliche Nase jemals sein kann.“
Zwar gibt es das Konzept der elektronischen Nase bereits seit den 1980er Jahren, doch die Umsetzung dieser Technologie in die Praxis erwies sich als schwierig. Einzelne Gassensoren, wie sie beispielsweise in Kohlenmonoxidmeldern für den Hausgebrauch zu finden sind, lassen sich relativ einfach herstellen. Die Integration einer Reihe verschiedener Sensorfolien auf einem einzigen Chip ist jedoch wesentlich schwieriger.
Bassil überwand viele dieser Herausforderungen, indem er Kohlenstoffnanoröhren anstelle von Metalloxiden als leitfähiges Material verwendete. Kohlenstoffnanoröhren können Schichten bilden, die nur etwa wenige Nanometer dick sind – das entspricht nur wenigen Atomen oder einem Hundertstel eines menschlichen Haares. Ihre große Oberfläche verleiht ihnen viele besondere Eigenschaften, darunter eine hohe Empfindlichkeit bei Raumtemperatur.
Durch die Verwendung einer Gerätestruktur, die bei Raumtemperatur funktioniert – anstatt erhitzt werden zu müssen –, konnte Bassil aus einer größeren Vielfalt an gasempfindlichen Materialien wählen, darunter auch solche, die bei hohen Temperaturen zerfallen könnten, wie beispielsweise Polymere. Außerdem ermöglichte es ihr, den Sensorchip mithilfe eines einfachen Verfahrens namens „Drop Casting“ herzustellen, anstatt auf kompliziertere Techniken zurückgreifen zu müssen.
„Der wirklich skalierbare Aspekt meiner elektronischen Nase besteht darin, dass wir all diese verschiedenen Arten von Sensor-Materialien verwenden können, während wir sie alle in einem einzigen Schritt aufbringen“, sagte Bassil.
Obwohl dies nicht Teil der neuen Studie ist, hat Bassil inzwischen eine tragbare Version der E-Nase entwickelt, die über eine iPhone-App bedient werden kann. Sie plant, die nächste Generation des Geräts in einer größeren Vielfalt von Umgebungen zu testen und dabei dessen Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit weiter zu verbessern.
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