De verfijnde sensoriek van elektronische tongen en neuzen
Vlaamse onderzoekers stelden elektronische tongen en neuzen op punt die snel smaak- en geurprofielen van groenten, fruit, bier en fruitsappen kunnen bepalen. En, als het van Nederlandse en Vlaamse onderzoekers afhangt, dan worden dergelijke applicaties in de toekomst gewoonweg ingebouwd in onze GSM.Elektronische tongen en neuzen trachten menselijke zintuigen te imiteren
Elektronische neuzen en tongen zijn biomimetische sensoren. Het zijn met andere woorden meetinstrumenten die de werking van menselijke zintuigen imiteren. Dergelijk instrumenten bevatten dikwijls een groot aantal sensoren die samen een complex signaal produceren dat met behulp van een computer dient te worden geïnterpreteerd.
Elektronische neuzen
Elektronische neuzen bevatten een reeks gassensoren die een signaal produceren wanneer zij in een atmosfeer beladen met geurstoffen worden gebracht. Verschillende types gassensoren zoals kwartsmicrobalansen, geleidende polymeren, en metaaloxidehalfgeleiders worden hiervoor gebruikt. Zo is een kwartsmicrobalans in essentie een kwartskristal dat bedekt is met een coating waarin aromastoffen kunnen geabsorbeerd worden. In dit geval neemt het gewicht van het kristal toe en bijgevolg de trillingsfrequentie af. Vermits trillingsfrequenties makkelijk en nauwkeurig gemeten kunnen worden – dit principe wordt ook toegepast in digitale horloges – kan op deze wijze de hoeveelheid geabsorbeerde aromastoffen gemeten worden.
Doch, hoewel het multisensorsystemen zijn, zijn ze niet in staat om onze zintuigen volledig te imiteren. Want om tot eenzelfde specificiteit te komen zou voor elk van de tienduizenden aroma- en smaakstoffen die gekend zijn een verschillende sensor nodig zijn. Het gecombineerde signaal van alle sensoren wordt daarentegen in zijn geheel beschouwd als een unieke vingerafdruk van de geur en de computer wordt aangeleerd om dit patroon te herkennen.
Elektronische tongen
Elektronische tongen zijn ook gebaseerd op een reeks sensoren die gevoelig zijn voor in water opgeloste bestanddelen. Zo werd aan de Universiteit van Sint-Petersburg (Rusland) een elektronische tong ontwikkeld die bestaat uit 18 potentiometrische sensoren. De reeks sensoren bestaat uit anionische en kationische sensoren, geselecteerd op hun gevoeligheid voor organische zuren en mineralen, en een pH-sensor. Wanneer de sensoren in een staal gedompeld worden, wordt na zo'n 3 minuten een stabiele potentiaal bereikt die gerelateerd is aan de chemische samenstelling van het staal.
Toepassing vereist een sterk staaltje signaalverwerking en modellering
Zowel elektronische neuzen als tongen moeten dus aangeleerd worden om bepaalde smaken en geuren te herkennen. Dat vraagt de nodig expertise op het vlak van verwerkings- en modelleringsconcepten, iets waar de onderzoeksgroep MeBioS aan de K.U.Leuven wel kaas van gegeten heeft. Zo wist MeBioS enerzijds elektronische neuzen op punt te stellen voor het klasseren van tomaten volgens aroma, voor het opvolgen van de rijping van vruchten aan de boom en in koelcellen, en voor het onderscheiden van parfums. Anderzijds werd een elektronische tong geoptimaliseerd voor het meten van suikers en zuren in bijvoorbeeld fruitsappen en voor het detecteren van bitterstoffen in bier.
Een andere complicatie die aangepakt dient te worden is de driftgevoeligheid van elektronische neuzen en tongen. Kortom, het toepassen van deze multisensorsystemen is dus niet vanzelfsprekend. Ondermeer omwille van deze redenen worden voor aroma- en smaakanalyses veelal andere technieken zoals GC-MS en LC-MS gebruikt, maar dit zal mogelijk in de toekomst wellicht veranderen.
Worden elektronische neuzen in de toekomst gemeengoed?
Het Vlaamse Imec en het Nederlandse Holst Centre ontwikkelden samen een elektronische neus volgens een innovatief concept. Huidige systemen hebben het nadeel dat ze relatief groot zijn en veel energie verbruiken. De sensorchip die imec en Holst Centre ontwikkelden, bestaat uit ultrakleine bruggetjes die bedekt worden met een polymeerlaag. Wanneer gasmoleculen in de laag worden opgenomen, verandert de laag: ze wordt zwaarder, en zwelt op waardoor stress ontstaan. Daardoor gaan de bruggetjes met een andere frequentie resoneren. Door verschillende polymeren te gebruiken die elk een andere gevoeligheid hebben voor specifieke stoffen, ontstaat een soort ‘vingerafdruk’ waardoor gascomponenten kunnen herkend worden. Volgens dit principe kan een compacte, uiterst gevoelige, zuinige en relatief goedkope elektronische neus gemaakt worden. Al deze eigenschappen zijn belangrijk als je dergelijke gassensoren zou willen inbouwen in draagbare toestellen of mobiele telefoons. Ze kunnen gebruikt worden voor kwaliteitsmonitoring van bijvoorbeeld wijn of kaas, maar ook voor de diagnose van ziektes zoals longkanker, astma en zelfs nierziektes.
Figuur 1. De door Imec en Holst Centre ontwikkelde elektronische neus (copyright Imec en Holst Centre)
Toegankelijker maken van deze sensorsystemen voor voedingsbedrijven
Benieuwd wat deze technologie kan op uw grondstoffen, tussenproducten of eindproducten? Ziet u mogelijkheden in een verbeterde, snellere productontwikkeling of kwaliteitscontrole en -garantie? Weet dan dat u voor uw vragen in verband met deze technologie niet ver hoeft te lopen. In samenwerking met de Onderzoeksgroep MeBioS van de K.U.Leuven en Imec werkt Flanders’ FOOD momenteel immers een projectvoorstel (‘Sensors For Food’ genaamd) uit in het kader van de IWT oproep VIS-trajecten 2010 met als doel om voor voedingsbedrijven ondermeer dienstverlening en technologisch advies aan te bieden op het vlak van elektronische tongen en neuzen.
Voor deelname aan het projectonderdeel rond elektronische tongen en neuzen volstaat het om, bij goedkeuring van het projectvoorstel door het IWT, lid te zijn/worden van Flanders’ FOOD.
Voor deelname bezorgt u ons de ondertekende Intentieverklaring. Wij hebben dit tevens nodig voor ons aanvraagdossier (indiening 15 december 2010).
Meer info over dit projectvoorstel vindt u hier
Neem voor verdere vragen gerust contact op met:
- Bart Nicolaï, MeBioS - K.U.Leuven (Bart.Nicolai@biw.kuleuven.be, 016 322375 of 016 321614)
- Kris Van de Voorde, Imec I&I (vdvoorde@imec.be, 016 28 15 35)
- Steven Van Campenhout, Flanders’ FOOD (steven.vancampenhout@flandersfood.com, 02 550 17 44)
Bronnen
- Polshin E, Rudnitskaya A, Kirsanov D, Legin A, Saison D, Delvaux F, Nicolaï BM, Lammertyn J. 2010. Electronic tongue as a screening tool for rapid analysis of beer. Talanta 81, 88-94.
- Beullens K, Mészáros P, Vermeir S, Kirsanov D, Legin A, Buysens S, Cap N, Nicolaï BM, Lammertyn J. 2008. Analysis of tomato taste using two types of electronic tongues. Sens. Actuators B 131; 10-17.
- Berna AZ, Buysens S, Natale CD, Grün IU, Lammertyn J, Nicolaï BM. 2005. Relating sensory analysis with electronic nose and headspace fingerprint MS for tomato aroma profiling. Postharvest Biol. Technol. 36, 143-155.
- Karabacad DM, Brongersma S, Crego-Calama M, 2010 Enhanced sensitivity volatile detection with low power integrated micromechanical resonators. Lab on a chip 10, 1976-1982.
- Imec Interconnect 34, november 2010
- Van Campenhout S. 2010. Nieuwe sensortypes bieden nieuwe mogelijkheden voor voedselveiligheid, -kwaliteit en –processing. Toelichting case study op Flanders’ FOOD Technology Day 29 september 2010, Brussel.
Nuttige links
STW artikel: Elektronsiche neus ruikt niet enkel aroma’s
MeBioS
Imec
Holst Centre
