Ein in den USA ansässiges Forscherteam hat kürzlich eine neue Art von „elektronischer Nase“ entwickelt, die verderbliche Lebensmittel und potenzielle Allergene im Kühlschrank erkennen kann. Seine Empfindlichkeit soll „besser als die der menschlichen Nase“ sein. Die Leistung stammt von der University of California, Berkeley, und wird von Carla Bassil geleitet, einer Doktorandin der Elektrotechnik und Informatik. Der entsprechende Artikel wurde in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Nach Angaben des Forschungsteams sind in diese elektronische Nase 16 Mikrogassensoren integriert, die subtile Unterschiede zwischen Gasmolekülen erkennen können, darunter auch flüchtige Gase wie häufige Lebensmittelallergene wie Walnüsse und Erdnüsse, und so Frühwarnungen ausgeben, bevor der menschliche Geruchssinn die Gefahr des Verderbens von Lebensmitteln oder von Allergien erkennt. Bassil beschrieb das System als eine Reihe „digitaler Geschmacksknospen“, wobei jeder Sensor eine einzigartige Reaktion auf verschiedene Gasmoleküle erzeugt, die zusammen einen „Fingerabdruck“ eines bestimmten Lebensmittels oder Geruchs bilden.
Im Gegensatz zu gewöhnlichen Kohlenmonoxiddetektoren für den Haushalt, die nur auf ein einzelnes Gas abzielen, ist die Integration mehrerer Gassensoren auf demselben Chip mit erheblichen technischen Schwierigkeiten verbunden. Zu diesem Zweck wählte das Team Kohlenstoffnanoröhren als leitfähige Materialien anstelle von Metalloxiden, die erhitzt werden müssen, sodass die Dicke der Sensorschicht nur ein Prozent des Durchmessers eines menschlichen Haares beträgt und bei Raumtemperatur eine hohe Empfindlichkeit aufrechterhalten werden kann. Dieses Design erweitert nicht nur die Auswahl an optionalen empfindlichen Materialien, sondern ermöglicht auch die Verwendung von Materialien wie Polymeren, die bei hohen Temperaturen leicht abgebaut werden.
Was den Herstellungsprozess angeht, nutzt Bassil das sogenannte „Drip-Coating“-Verfahren, bei dem empfindliche Materialien einfach in Form eines dünnen Films auf dem Chip abgeschieden werden, was den Herstellungsprozess im Vergleich zu aufwendigen Verfahren deutlich vereinfacht. Wenn die elektronische Nase arbeitet, wird die chemische Reaktion zwischen der Sensoroberfläche und den Gasmolekülen in ein elektrisches Signal umgewandelt, wodurch eine analysierbare Reaktionskurve entsteht.
Um das System mit Erkennungsfunktionen auszustatten, führte das Forschungsteam ein maschinelles Lernmodell ein, um verschiedene Gasreaktionsmuster zu trainieren. Derzeit ist die elektronische Nase darauf trainiert, die unterschiedlichen Geruchsveränderungen von sieben Lebensmittelarten – Erdbeeren, Blaubeeren, Bananen, Walnüsse, Haselnüsse, Cashewnüsse und Erdnüsse – sowie rohem Huhn, Milch und Eiern im frischen Zustand und nach einer Lagerung bei Raumtemperatur für 24 Stunden und 48 Stunden zu erkennen. Das Modell lernt den Gas-„Fingerabdruck“ jedes Lebensmittels in verschiedenen Zuständen, um es bei der anschließenden Erkennung automatisch zu identifizieren.
„Unsere Idee besteht darin, die relative Selektivität des Gassensors in Kombination mit der Fähigkeit des maschinellen Lernens bei der Mustererkennung zu nutzen, um die Gasfingerabdrücke verschiedener Lebensmittel zu unterscheiden.“ Bassil sagte: „Das Endergebnis ist ein Sensorchip, der empfindlicher und objektiver ist als die menschliche Nase.“ Im Test kann die elektronische Nase nur 0,05 Gramm Walnussfragmente erkennen, was etwa einem Prozent des Gewichts einer geschälten Walnuss entspricht. Allerdings gab Bassil auch zu, dass die Leistung des Geräts in komplexen Umgebungen noch nicht überprüft wurde, etwa bei der Identifizierung von Allergenen in gemischten Lebensmitteln wie Kuchen oder Salaten oder der Genauigkeit, wenn mehrere Lebensmittel im Kühlschrank gleichzeitig Gas abgeben.
Um die praktische Anwendung zu erleichtern, hat Bassil auch eine tragbare Version entwickelt, die über eine iPhone-App gesteuert werden kann. Sie glaubt, dass „intelligente Kühlschränke“ in Zukunft eines der wichtigen Implementierungsszenarien dieser Art von Technologie sein werden: Nachdem der Kühlschrank über integrierte Sensoren verfügt und mit einem Mobiltelefon verbunden ist, kann er Benutzer proaktiv an Informationen wie „Brokkoli wird bald schlecht“ und „Hähnchen ist bald haltbar“ erinnern und so Familien helfen, Lebensmittelverschwendung zu reduzieren und Risiken für die Lebensmittelsicherheit zu verringern.
Die Forschung wurde in einer Pressemitteilung der University of California, Berkeley, vorgestellt. Die neue Technologie basiert auf einer Kombination aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Gassensoren und maschinellem Lernen, was auch als eine der wichtigen Entwicklungsrichtungen im Bereich der zukünftigen Überwachung der Lebensmittelsicherheit und Allergenerkennung gilt.
