klicken - MULTISENSORIC GmbH

GESCHMACKSSENSORIK
MPA
Die Elektronische Zunge als innovatives
Mustererkennungsinstrumentarium
Eine schwachselektive, ionenempfindliche Elektrodenanordnung aus verschiedenen Materialien,
die elektrochemische NERNST-Spannungen in ionenhaltigen Objekten generiert, wird populär als
»Elektronische Zunge« bezeichnet. Sie gestattet, viele Erkennungsaufgaben einfach und schnell
nach einer Anlernphase zu erledigen, wenn sie mit mathematischen Objekt bzw. Mustererkennungsverfahren gekoppelt wird [1].
D
as biologische Vorbild der Zunge erfasst den Geschmack
über vier Grundgeschmacksrezeptoren. Das ist in vielen
Veröffentlichungen zu lesen. Die Untersuchung der Nervenimpulse zeigt aber, dass an den sie einsammelnden Nervenfasern immer eine Pluralität der auslösenden chemischen
Reize wirkt [2].
Bild 1: Obige Empfindlichkeiten der Nervenfasern (Chorda tympani) einer Ratte zeigen, dass jede der Fasern die Pluralität/Gesamtheit der Reize aus den
angebotenen Chemikalien registriert. Eine Elektronische Zunge muss daher
nicht die Chemikalien einzeln, d. h. selektiv, ermitteln. Auch wenn nur Muster
gewonnen werden, lässt sich daraus eine verwertbare Information ermitteln.
Das bedeutet, dass es müßig ist, die einzelnen Geschmacksrichtungen genau verorten zu wollen: Unsere menschlichen
Rezeptoren erfassen alle Reize zusammen schwachselektiv
als Muster. Diese Muster werden vom Gehirn erfasst und mit
angelernten Erfahrungen verglichen. Erst dann schmecken
sie süß, sauer, salzig, bitter und entsprechend den von den
gemessenen Produkten gelieferten Geschmacksmischungen
spezifisch, eben die gesamte Palette unserer Speisen, Getränke und Gewürze.
Bild 3: Die Elektroden sind in einem Substrat von 10 mm Durchmesser eingebracht und ragen 300 µm heraus. Dieser Messkopf wird auf das zu messende
Objekt aufgesetzt oder eingedrückt. Bildquelle: www.multisensoric.de
Wichtig ist daraus für die Konstruktion einer Elektronischen Zunge, dass diese auf Muster zu reagieren hat und
diese einer Klassifizierung zu unterziehen sind.
NERNST-Spannungen
Prof. NERNST aus Berlin hat vor etwas mehr als 100 Jahren die Formel abgeleitet, welche die Ionenkonzentrationen
Die Autoren
Hochschuldozent Dr.-Ing. habil. et Dr.
sc techn. Horst Ahlers, Multisensoric
GmbH, Jena, und Christian Keil, Student zum „State-certified Engineer“
(Bachelor professional).
22
s22_s25.indd 22
Bild 2: Für eine Weltgeschmacksdatenbank
kann für jedes Objekt mit Ionen eine objektive
Zustandsbeschreibung mit einem Vektor aus
NERNST-Spannungen zu seiner eindeutigen und
objektiven Charakterisierung erzeugt werden.
mpa 10-2014
13.10.14 11:24
GESCHMACKSSENSORIK
mit den generierten elektrischen Spannungen verknüpft [3].
Sie enthält die Temperatur und - was für die Zungenfunktion
wichtig ist – den Logarithmus naturalis der Ionenkonzentrationen.
UNERST ~ T * ln(f(Ionen))
Der Klammerausruck ist ganz allgemein als eine Funktion
angegeben, ohne diese genauer zu definieren. Dazu wird
postuliert, dass jede Elektrodenkombination eine andere
Wechselwirkung mit den vorliegenden Ionen aufweist. Das
wird zur Mustergenerierung ausgenutzt. Wird eine gemeinsame Referenzelektrode eingesetzt, so braucht man z. B. 8
plus1 Elektroden unterschiedlicher Materialien für 8 Messkanäle. Diese bauen einen Beschreibungsvektor mit 8 Vektorkomponenten auf. Auch hierbei kann diese – wie bei der
populären Zungenbezeichnung – populär als Fingerprint
bezeichnet werden, die das erfasste Objekt charakterisieren.
Das System erfordert somit elektrisch leitende Elektroden,
die in ionischen Objekten / Elektrolyten elektrische Spannungen erzeugen. Elektrolyte sind nicht nur chemische,
sondern auch biologische Indikatoren. Insbesondere der biologische Elektrolyt »Haut« ist interessant für medizinische
und chemische Fragestellungen. Interessanterweise umfasst
es nicht nur den Geschmack des Sinneseindrucks aus den
Nahrungsmitteln, sondern im übertragenen Sinn auch den
»Geschmack« unendlich vieler Objekte der uns umgebenen
Welt [4]. Dies gestattet, jedem solcher Objekte einen elektronischen Fingerabdruck als neuartige und innovative Beschreibung zuzuordnen, und zwar einen objektiven und
nicht subjektiven, wie es beim menschlichen Geschmack
immer der Fall ist. Somit kann das Ziel einer Objektivierung
des elektrochemischen Geschmacks im weltweiten Kontext
ausgegeben werden [5]. Es ist realisierbar mit geeigneten
standardisierten Konstruktionen Elektronischer Zungen.
Zungenkonstruktion
Der Einsatz des Prinzips der NERNST-Spannungen erfordert es, stromlos elektrische Spannungen (im V- bis mVBereich und auch darunter) zu messen. Damit wird ein zu
messendes Objekt nicht mit einem Messstrom belastet, was
für alle lebenden Objekte, beispielsweise in der Medizin, ein
unbedingter Vorteil ist. Für viele Objekte reicht aber ein endlicher Eingangswiderstand eines nachfolgenden Messgeräts,
der einen geringen bis vernachlässigbaren Eingangsstrom
nach sich zieht. Dabei wirkt das zu messende Objekt als
Spannungsgenerator mit Innenwiderstand.
Mit anderen Worten heißt das, dass immer zwei Messelektroden aus unterschiedlichen Materialien mit dem zu messendem Objekt ein galvanisches Element bilden.
In Bild 3 wird ein solcher Messkopf gezeigt, der 19 Elektroden unterschiedlichen Materials für maximal 18 Messkanäle
kombiniert, die 18 Vektorkomponenten ermitteln können.
Beim Berühren des zu messenden Objekts entsteht so ein
Fingerprint als dessen elektronische Zustandsantwort [6].
Dieser Fingerprint-Vektor kann nun noch vervollstän-
mpa 10-2014
s22_s25.indd 23
23
13.10.14 11:24
GESCHMACKSSENSORIK
digt werden, indem weiteres Wissen über das zu messende
Objekt hinzugefügt wird. Das können Analysewerte sein,
Beurteilungen von Human-Sensorikern, Wortbeschreibungen, Meinungen, Anwendungshinweise, Giftigkeit, Preise,
Verfügbarkeit usw. Damit wird das zu messende Objekt
umfassend beschrieben. Vieles davon ist subjektiv gefärbt,
außer den Analysewerten. Diese beschreiben die elektrochemischen Vektorkomponenten in Bits und Bytes als elektronischen Fingerprint objektiv. Dies kann als recht schneller
Mess-und Mustererkennungsvorgang ausgeführt und dann
mit dem Internet gekoppelt werden. Eine chemische Analyse
ist da viel aufwändiger und teurer, d. h. die »Elektronische
Zunge« ist das Mittel der Wahl für den täglichen Alltag.
Jenaer Elektronische Zunge
Multiionen-Sensoriccard
wird. Der Vektor ist dann nur der objektive Hintergrund zur
Erkennung, der unbestechlich das gemessene Objekt charakterisiert.
Diese einfache Vor-Ort-Erkennung wird allerdings erkauft
durch den Aufwand beim Anlernen. Die erforderliche Klassenzuordnung beim Erkennungsvorgang ist dann durch heutige Rechnerkapazitäten dagegen unbedeutend im Aufwand.
Letztlich gewinnt das neue innovative Instrumentarium erfreulicherweise durch den Zugang zum Internet und seinen
Möglichkeiten. Das öffnet somit ein »weites Feld« der Betätigung in jeglicher Hinsicht nicht nur für den Ingenieur, sondern auch für die weltweite Nutzerschaar. Der menschliche
Geschmack ist dabei nur ein interessantes aber kleines Anwendungsgebiet; die uns umgebene Welt dagegen lässt die
Anwendungen nahezu ins Unendliche wachsen (Bild 2 [5]).
Medizin: Dialyse
Die Jenaer Elektronische Zunge Multiionen-Sensoriccard
stellt eine erprobte Beispiellösung zur Demonstration der
Anwendungsbreite einer technischen Elektronischen Zunge
dar [1] [4] [5] [6] [7] [8]. Sie zeigt, dass das neue Instrumentarium einer Elektronischen Zunge Objekte, die als Elektrolyte mit Ionen wirken, für den praktischen Vor-Ort-Einsatz
geeignet beschreiben können. Bisherige Beschreibungen
(Analytik, Humansensorik, Wortumschreibungen, …) werden durch einen Vektor ersetzt. Dieser ist für jedes Individuum mit einem einfachen etwa visitenkartengroßen Gerät zu
bestimmen. Die Messzeit wurde auf 0,4 s eingestellt. In dieser Zeit werden 10 Einzelmesswerte erzeugt. Die bisherigen
Beschreibungen können diesem Vektor hinzugefügt werden,
um den Bruch der Innovation mit der Gewöhnung bzw. Historie nicht zu groß werden zu lassen. Eigentlich braucht der
Kunde diesen Vektor auch gar nicht zu kennen, wenn ihm
nur das Zustandsergebnis ausreichend plausibel mitgeteilt
Werden über den linken Zeigefinger eines Dialysepatienten z. B. Hautpotenziale generiert und gemessen, so ist
der Reinigungserfolg des Blutes an dem Gang der Messkanalspannungen bereits nach wenigen Minuten abzulesen
(Bild 4). Werden nun parallel diese Daten mit denen der
Dialysemaschine korreliert, lässt sich auf einfache Weise am
einzelnen Patienten (Individualisierte Medizin) feststellen,
inwieweit er therapiert ist.
Das ist vielleicht nicht so sehr ins Gewicht fallend, da ja
auch an der Maschine Messparameter zur Verfügung stehen.
Wichtig wird es aber für einen Patienten mit neuer, z. B.
dritter Niere, zu Hause die Überwachung einfach vornehmen zu können. Mit den Kurven in Bild 4 ist nachgewiesen,
dass die Haut die Nierenfunktion adäquat abbildet.
EURO-ID-
Medizin: Tumordetektion
Die unterschiedliche Verstoffwechselung in Krebszellen
und in gesunden Zellen ergibt unterschiedliche Ionen und
Ionenkonzentrationen. Für zwei Tumore im Gehirn ist dies
in Bild 5 mitgeteilt. Das ist für eine Vor-Ort-Detektion während einer Operation ein unschätzbarer Vorteil, nicht erst
eine z. B. morphologische Begutachtung in einem Labor zu
veranlassen, sondern im Bruchteil einer Sekunde auf die
notwendige Information zugreifen zu können.
Lebensmittel: Weindetektion
Zeit
Schon oft wurden sowohl in der Literatur als auch in TVSendungen Weingeruch und Weingeschmack mit verschiedenen elektronischen Nasen und Zungen als detektierbar
vorgestellt. Bisher konnten aber durch das BeharrungsverBild 4: Gezeigt werden ausgewählte Messkanäle mit ihren normierten Spannungsverläufen zum Nachweis der Detektierbarkeit des Dialysevorganges über
die Haut. Messungen in Dialysestation Postcarré Jena, Patient Bö, Messender:
Dipl-Ing. W. Kratzenberg, Bad Schauenburg 25.11.2011.
24
s22_s25.indd 24
mpa 10-2014
13.10.14 11:24
GESCHMACKSSENSORIK
klassen einmalig angelernt und dann Vor-Ort wiedererkannt
werden [9]. Das ist dann eine einfache und ständig wiederholbare Kontrollmöglichkeit.
KONTAKT
Multisensoric GmbH
www.multisensoric.de
Bild 5: Für unterschiedliche Tumore
werden auch unterschiedliche Vektorkomponenten ermittelt.
Bild 6: Für diese Weinproben
ergeben sich charakteristische
NERNST-Spannungen.
mögen der Weinbranche und durch die vorgestellten Geräte
nicht recht von einem Durchbruch gesprochen werden. Ein
neuer Vorstoß mit der Jenaer Elektronischen Zunge Multiionen-Sensoriccard zeigt, dass innerhalb des Bruchteils einer
Sekunde ein Beschreibungsvektor gewonnen werden kann,
der mit 9 Komponenten eine einfache und objektive Mustererkennung gestattet.
Lebensmittel: Möhrendetektion
Die Frische von Obst und Gemüse ist ein wichtiges Verkaufsargument. Mit einer Elektronischen Zunge ist dies verEURO-ID-World_2014_ANZ_D_213_151
07.03.14 15:50
Seite
1
hältnismäßig einfach festzustellen.
Dazu
müssen
Frische-
Literatur
[1] H. Ahlers, R. Reisch, L. Wang: Elektronisch riechen, schmecken etc., Elektronische
Sinnessensorik für Lebensmittel, Medizin, Umwelt und Technik. 2010 Beuth-Verlag,
Behr´s- Verlag
[2] R.F. Schmidt, F. Lang, M. Heckmann(Hrsg): Physiologie des Menschen, Springer
2007
[3] W. Nernst. Zeitschrift Elektrochemie 6 (1899), S.41
[4] H.Ahlers. Wie schmeckt denn nun Beton? BFT (2011)7,S.20-22
[5] H. Ahlers. Lebensmittelsicherheit- Ein Menschheitstraum / Überwacht mit Elektronischer Sinessensorik / Weltgeschmacksdatenbank. Eingereicht bei Fleischwirtschaft
[6] BMWI-Projekt 62/99 (1999-2001): Elektronische Zunge. Jenasensoric e.V. / Ahlers
[7] www.multisensoric.de
[8] H. Ahlers, Ch. Keil: Nach biologischem Vorbild: Geschmackserkennende Elektronische Zunge. Eingereicht bei Naturwissenschaftlicher Rundschau
[9] M. Wagner, D. Wötzel, T. Keil, H. Ahlers: Frischeklassen einfach und schnell bestimmen. Fleischwirtschaft (2013) 8, S. 23-28