Je leest:

Elektronische neus

Elektronische neus

Auteur:

We herkennen feilloos de geur van knoflook of rotte vis. Niettemin kunnen we de vraag “Hoe hard stinkt het?” moeilijker beantwoorden dan de vraag “Hoe warm is het?” De elektronische neus biedt uitkomst. Belgische onderzoekers sleutelen aan een nieuwe veelbelovende familie van geursensoren.

Geuren kunnen veel vertellen. Een ervaren bierbrouwer ruikt of de fermentatie van het mout goed verloopt. Gist zet daarbij suiker om in ethanol en koolstofdioxide. Bij de vergisting gevormd ethylacetaat en aceetaldehyde, leveren een onmiskenbare bijdrage aan het aroma. De bierbrouwer snuift de lucht op en geurstoffen strijken langs het vochtige neusslijmvlies. Reukcellen verzenden daarop via zenuwen een signaal naar zijn hersenen. Daar volgt de interpretatie van de signalen, gevolgd door de herkenning.

Onlangs heeft een elektronische neus het fermentatieproces twintig uur lang gevolgd. Elke vijf minuten snoof het apparaat de geur op en produceerde een getallenreeks. Deze elektronische geuranalyse laat zien dat na drie uur het brouwproces op gang komt, na tien uur een maximale geursterkte ontstaat en daarna het proces tot stilstand komt. Een kleine geurpiek na acht uur valt mooi samen met de maximale alcoholconcentratie in het bier.

Geurgevoelig oppervlak

Dit industriële experiment bewijst dat een elektronische neus een productieproces goed kan volgen. Deze neus bevat geen miljoenen reukcellen, maar enkele sensoren. Elke sensor bestaat uit een geurgevoelig oppervlak geplaatst tussen twee elektrische contacten. Zodra vluchtige geurstoffen dat oppervlak beroeren, verandert de elektrische weerstand. Dat levert het sensorsignaal. Aangezien de sensoren verschillen, levert deze elektronische neus een geurprofiel, een ‘vingerafdruk’ van een aroma.

Tot nog toe gebruiken de populairste reuksensoren een oppervlak van metaaloxide of geleidende polymeren. In Vlaanderen hebben we een nieuw type reuksensor ontwikkeld. Het Interuniversitair Micro Electronica Centrum (IMEC) in Leuven en de Universiteit Antwerpen hebben hier zoveel vertrouwen in, dat ze een patent daarop hebben genomen.

De laatste jaren is de ontwikkeling van elektronische neuzen in een stroomversnelling geraakt. De Europese Unie stimuleert deze ontwikkeling in 1999 en 2000 met het forum NOSE, Network on artificial Olfactory Sensing, waarin Europese universiteiten en industrieën informatie uitwisselen. Op de Universiteit Antwerpen verzorgen we voor dit forum een website met een overzicht van alle deelnemers.

Het onderzoek naar geursensoren begon nog geen twintig jaar geleden. Met name de voedingsindustrie was geïnteresseerd in het elektronisch ruiken. Een gevoelige neus kan ruim op tijd waarschuwen als het bederf van opgeslagen fruit, groenten of vlees begint. De populairste sensoren van dit moment zijn, alhoewel zeer gevoelig, niet zo specifiek en nemen vooral anorganische gassen waar. Voor het kunnen onderscheiden van de vele organische geurstoffen zijn met name geleidende polymeren interessant voor toepassing in geursensoren. Ze herbergen de belofte dat door de vele mogelijkheden om de chemische structuur te veranderen, er vele sensortypen kunnen worden gemaakt die sterk verschillen in gevoeligheid voor allerlei geurstoffen. Het aantal toepassingen kan daarmee flink groeien.

Blazen met schone lucht

Tussen elektroden. Het geurgevoelige oppervlak is geplaatst tussen twee goudelektroden. Als vluchtige geurstoffen langs het oppervlak strijken, verandert het elektrische geleidingsvermogen. Dat vormt dan een maat voor de waargenomen geur. Erick Vermeulen

Een enkele (anorganische) geursensor bestaat uit een dunne laag materiaal met een meetbare elektrische weerstand. Twee elektroden aan weerszijden van het oppervlak zijn verbonden met een meetcircuit. Op het oppervlak van de geurgevoelige laag bevindt zich in de ruststand een laagje zuurstofmoleculen. Tijdens een meting verdringen vluchtige geurstoffen een deel van deze zuurstof. De geadsorbeerde geurmoleculen wisselen elektronen uit met het sensormateriaal, waardoor de elektrische potentiaal aan het oppervlak verandert. De eigenschappen van sensormateriaal en geurstof bepalen hoeveel elektronen er overspringen en in welke richting (naar het sensormateriaal of er juist van af). De richting bepaalt of de weerstand toeneemt of afneemt en het aantal bepaalt de grootte van die verandering.

Als er maar voldoende elektronen oversteken, kunnen we een weerstandsverandering meten. We hebben het liefst dat de sensor al bij het geringste vleugje reageert. Anderzijds mag de ladingsoverdracht niet te ver gaan. We willen de sensor na de meting namelijk weer gemakkelijk in zijn uitgangspositie terugbrengen. Na een paar minuten blazen met schone lucht, moeten alle vreemde moleculen van het gasoppervlak zijn verdwenen, zodat het oppervlak weer de oorspronkelijke weerstand krijgt.

Wereldwijd vindt er het broodnodige fundamentele onderzoek plaats naar geursensoren met geleidende polymeren. Er is vooral behoefte aan nieuwe typen die sterker zijn en een langere levensduur hebben. We onderzoeken in het chemische laboratorium aan de Universiteit Antwerpen hoe we de eigenschappen van de geleidende polymeren kunnen verbeteren. We veranderen bijvoorbeeld de selectiviteit en de gevoeligheid van de geleidende polymeren door bepaalde functionele groepen aan de ketens te hangen of verschillende positieve ionen tussen de ketens te verstoppen. Ook proberen we om nieuwe typen geleidende polymeren te maken, bijvoorbeeld met diverse typen schakels (monomeren) die elkaar afwisselen.

Vluchtig Jood

Een geleidend polymeer dat we onderzoeken, is poly(thiënyleenvinyleen) (PTV). Een geursensor met een PTV-laag is niet vanzelf geleidend. We geven het sensoroppervlak halfgeleidereigenschappen doordat we het doperen tijdens een reactie met gasvormig jood. Dat neemt elektronen uit het PTV op en nestelt zich in de nieuwe structuur als het I5–-ion. Er komt ongeveer één I5–-deeltje voor op tien thiënyleenvinyleenschakels. Deze reactie verloopt snel en gemakkelijk en is omkeerbaar. Als we de sensor na de meting schoonblazen, verdwijnt helaas een deel van het jood met de luchtstroom en verliest de sensor uiteindelijk zijn halfgeleidereigenschappen. De sensor is dan dood. We wekken de sensor weer tot leven, door een verse hoeveelheid jood toe te voegen. Deze PTV-sensor is dus geen sensor met een stabiel geleidingsvermogen.

Geleidende kunststoffen

De bouwstenen (monomeren) waaruit geleidende polymeren zijn opgebouwd, bevatten veelal onverzadigde bindingen, in de illustraties weergegeven door dikkere cilinders. De geursensor poly (thiënyleenvinyleen) is pas geleidend nadat hij is gedopeerd met gasvormig jood. Erick Vermeulen

De Belgische onderzoekers pasten poly (thiënyleenvinyleen) aan tot andere copolymeren zoals polypyrrool. Erick Vermeulen

Een ander voorbeeld is polyaniline. Erick Vermeulen

De meeste polymeren die we kennen, zijn goede isolatoren. Denk maar aan de kunststof die stroomdraden isoleert. Hun geleidingsband is leeg, zodat er geen elektronen zijn die kunnen geleiden. Hun valentieband is volledig gevuld, zodat er in het materiaal geen ruimte is voor elektronen om van plek naar plek, van gat naar gat te springen. Bekende geleidende polymeren zijn bijvoorbeeld polypyrrool, polyaniline en polythiofeen. Deze polymeren bevatten vele dubbele bindingen en zijn daardoor rijk aan elektronen. We bevorderen de geleiding door deze kunststoffen met een oxidatiereactie die elektronen uit het materiaal wegneemt. Dit proces, doperen, is vergelijkbaar met het inbouwen van verontreinigingen in silicium, om positieve of negatieve transistormaterialen te krijgen. Als er voldoende elektronen uit het polymeer zijn weggenomen, kunnen de overblijvende elektronen langs de keten bewegen en zelfs van de ene keten naar de andere ‘hoppen’. Er is sprake van elektrische geleiding en we kunnen de elektrische weerstand meten.

Korte stukken

We ontdekten het nieuwe type geurgevoelige materiaal toen we de synthese van PTV een beetje aanpasten. Er ontstonden copolymeren die bestaan uit afwisselend stukken elektronenrijke en stukken isolerende polymeer. Via de reactiecondities kunnen we de verhouding tussen deze twee bouwstenen beïnvloeden. Zo verkrijgen we nieuwe materialen die we gemakkelijk in elektronische neuzen kunnen verwerken, maar die andere gevoeligheden en responsen hebben. De elektronenrijke schakels bestaan uit twee tot vijf monomeer-eenheden. Die korte stukken, met andere woorden oligomeren, kunnen we net zoals PTV geleidend maken door een reactie met bijvoorbeeld jood. Ze zijn daarom ook geurgevoelig. Oligomeren laten zich veel gemakkelijker en in grotere verscheidenheid synthetiseren dan polymeren.

Een geslaagd voorbeeld van zo’n oligomeer dat we hebben gevonden, bestaat uit slechts drie aromatische ringen aaneengeknoopt door twee vinylschakels. We hebben niet eens het vluchtige jood nodig om het daarmee gevormde materiaal geleidend te maken. Dat lukt namelijk beter met niet-vluchtige ionen, zoals perchloraat. Dat levert een stabielere sensor op dan die met PTV. Een extra voordeel is dat tijdens die reactie de oplosbaarheid van het materiaal daalt. In één stap zorgen we ervoor dat er op de sensor een laag belandt en dat die laag gevoelig is. We kunnen de laagdikte zo variëren met de hoeveelheid perchloraat en zorgen dat de laagjes alleen op de elektroden ontstaan. Dit betekent perfect gelocaliseerd afzetten. Dat opent de weg naar een relatief eenvoudige industriële productie van minuscule geursensoren.

Een spin-off-bedrijfje dat is opgericht door IMEC en de Universiteit Antwerpen, OligoSense, zal de commerciële uitbating van de nieuwe sensoren verzorgen. Voordat het zover is, moeten we echter nog vele chemische syntheses en testen uitvoeren. Ons vertrouwen in deze nieuwe techniek hangt onder meer samen met een belangrijk chemisch verschil tussen de geleidende polymeren en de geleidende oligomeren. Onze geursensor met oligomeren heeft weinig last van water, terwijl de sensor met geleidende polymeren juist door water wordt vergiftigd.

Intuïtief verwachten we dat een sensor slechts reageert op de aanwezigheid van één verbinding of eventueel een kleine groep geurstoffen. Helaas zijn de geleidende polymeren en oligomeren niet zo selectief. Dat is lang niet altijd een handicap. De kans op een vals-negatieve uitslag (de patiënt heeft een ziekte, maar de test toont er geen) is bij bierbrouwen of koffiebranden niet zo groot. Bovendien weten we vanwege de plek waar we hem inzetten, welke geurstoffen hij nu precies kan waarnemen. In de bierbrouwerij verwacht je geen knoflook. Als we precies willen weten welke geurige verbindingen er in een aroma zitten, dan zouden we gevoelige en precieze chemische meetmethoden moeten inzetten en die vergen veel tijd en bewerkingen.

Chanel no. 5

Oordeel. Zonder dat hij precies aangeeft welke stoffen in een parfum voorkomen, kan een elektronische neus toch een duidelijk oordeel vellen over de overeenkomsten of de verschillen tussen twee geurtjes. Ottto Vork

Toch kunnen we met minder specifieke sensoren toch een behoorlijke gevoeligheid van de elektronische neus voor allerlei praktische problemen bewerkstelligen. Een elektronische neus waarin we een reeks van sensoren hebben geplaatst, kan een groot gamma aan geuren herkennen. Elke sensor reageert anders op dezelfde geurmoleculen, met meer of minder vrijkomende elektronen. Niet alleen verschillen de reacties van de sensoren op enkelvoudige gassen, maar ook reageren ze anders op het complete, complexe aroma. Daardoor geeft de sensorreeks een serie getallen die een vingerafdruk van die geur vormt. Vergelijken we vervolgens die vingerafdruk met een standaard, dan kunnen we op eenvoudige wijze echt van vals, goed van slecht onderscheiden.

De douane of de politie kan een gevoelige parfumtester wel gebruiken. Stel dat je een elektronische neus met vijf sensoren laat ruiken aan twee flesjes Chanel no. 5, waarvan één met een dubieuze herkomst. Bij beide metingen levert de elektronische neus een geurpatroon van vijf getallen. Een verschilplotje van de geurpatronen bewijst dat het tweede flesje goedkope namaak is.

Menselijk reukorgaan

We willen graag met sensoren het toepassingsbereik van de menselijke neus bereiken. Het menselijk reukorgaan herkent met een duizendtal verschillende typen geurreceptoren een enorm gamma aan geuren. Sommige reageren op benzinegeur (alkanen), andere op alcoholen of aminen. Als we een geur opsnuiven, reageren de diverse receptoren verschillend op de geurstoffen waarmee ze in aanraking komen. De diverse zenuwsignalen van de reukcellen komen in het reukcentrum in de hersenen aan, waar uit het complexe patroon de herkenning van de geur volgt. Welke stoffen we ruiken weten we vaak niet zo precies, maar het complexe aroma van koffie of wijn kunnen we toch goed herkennen.

De elektronica vormt een zeer belangrijke component voor de ontwikkeling van een beter en betrouwbaarder elektronisch reukvermogen. Geavanceerde computerprogramma’s die de belangrijkste geurcomponenten analyseren kunnen samenwerken met bijvoorbeeld een neuraal netwerk dat net als onze hersenen kan leren hoe de waargenomen geursignalen samenhangen met gewenste en ongewenste geuren. Deze technische ontwikkeling kan het toepassingsbereik van elektronische neuzen in belangrijke mate vergroten.

Truffelzoeken

Enige realiteitszin en bescheidenheid is op zijn plaats. Al is de mensenneus één van de minst gevoelige in het dierenrijk, wij moeten voorlopig niet willen een elektronische neus te bouwen die even flexibel is als die van de mens. De beste elektronische neuzen die thans op de markt zijn bevatten nog geen vijftig sensoren, en dat is ver verwijderd van de meer dan een miljoen menselijke receptoren.

Heeft de elektronische neus dan wel een toekomst? Parfumbedrijven hebben hun ‘neus’, iemand die feilloos het ideale geurtje voor de zaterdagavond kan ontwerpen. Panels met getrainde mensen leveren vakkundige oordelen over geuren, waarvan je je kunt afvragen of een elektronische neus die ooit kan reproduceren. De elektronische neus legt het in een wedstrijd truffelzoeken ruimschoots af tegen een varken.

Toch denken we dat de technische en chemische ontwikkelingen snel zullen bijdragen aan praktisch inzetbare elektronische neuzen. Allereerst ligt het voor de hand om, kijkende naar de samenhang tussen chemische structuren en sensoractiviteit, sensorreeksen te ontwerpen en te optimaliseren die zijn toegesneden op één of een beperkt aantal toepassingen. Bij de verdere ontwikkeling van de elektronische neus moet er veel aandacht zijn voor optimale monsternames en betrouwbare meetprotocollen. Als een apparaat het toch deels subjectieve begrip ‘stank’ moet objectiveren, dan moeten we zorgen voor ‘good chemistry’ tussen mens en apparaat. We mnoeten er bijvoorbeeld op letten dat de mens het beste met vochtige lucht ruikt, en de elektronische neus misschien het beste functioneert met droge lucht.

We verwachten dat in eerste instantie naast de bierbrouwerij andere biotechnologische productieprocessen en de medische diagnostiek de voordelen van de elektronische neus zullen ontdekken. De inzet van de elektronische neus voor milieubewaking ligt wat lastiger. In ons leefmilieu hebben we doorgaans veel meer onbekenden en variabelen dan de eenvoudige elektronische neus van vandaag aankan.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 april 2001

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE