Elektronische Nase
Der menschliche Geruchssinn dient als Vorlage für die Arbeitsweise eines Sensor-Arrays.
Physik Journal – Der menschliche Geruchssinn dient als Vorlage für die Arbeitsweise eines Sensor-Arrays.
Chemische Sensoren, die Stoffe in der Luft über eine Widerstandsmessung nachweisen können, lassen sich in der Medizin, Industrie und Terrorabwehr einsetzen. Solche elektronischen Nasen sprechen aber meist nur auf Stoffe an, auf die sie zuvor „trainiert“ worden sind, und ihre Alterung erfordert aufwändige Neukalibrierungen. Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben nun einen Sensor entwickelt, der solche Probleme überwindet.
Als Vorbild dient ihnen der biologische Geruchssinn: Gelangt ein Molekül in die Nase, lagert es sich an Neuronen an, die den chemischen Stimulus in ein elektrisches Signal umwandeln. Aus dieser Informationsfülle identifiziert das Gehirn auf hierarchische Weise die relevanten Informationen.
Abb.: Die NIST-Nase besteht aus 16 Sensoren, die hier in einem optischen Mikrobild zu sehen sind. (Bild: Analytical Chemistry)
Die Wissenschaftler wählten für ihre elektronische Nase eine Anordnung aus mikroelektromechanischen Heizplatten, auf die sie Metalloxidhalbleiter als Sensoren aufbrachten. Jeden der 16 Sensoren heizten sie in Ein-Grad-Schritten von 150 °C auf 500 °C und nahmen jeweils einen Messwert. So erhielten sie 5600 virtuelle Sensoren, die sozusagen den Neuronen des Geruchssinns ent-sprechen. Diese Chemiresistoren bestehen im Wesentlichen aus SnO2, TiO2 oder WO3. Ihre Leitfähigkeit ändert sich mit steigender Temperatur und liegt in jeweils charakteristischen Bereichen, wenn Spurenstoffe sich an sie anlagern.
Allerdings überlappen sich die Messkurven für verschiedene Stoffe stark, sodass eine elektronische Nase nur dank statistischer Verfahren funktioniert. Wie der Geruchssinn nutzen die Wissenschaftler nur die aussagekräftigsten Resultate, die sich aus einer hierarchischen Klassifikation ergeben. Dieser Ansatz erwies sich statistisch als sehr robust.
Nach einer Trainingsphase mit elf Molekülarten konnte die künstliche Nase verschiedene Alkohole und Ketone mit einer mitt-leren Zuverlässigkeit von 87 Prozent identifizieren. Die Konzentrationen der Spurenstoffe lagen dabei zwischen 30 nmol/mol und 10 µmol/mol. Auch eine künstlich gealterte Nase lieferte noch zuverlässige Resultate.
Michael Vogel
Quelle: Physik Journal, Dezember 2008, S. 12
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