Obwohl der Geruchssinn schon immer eine wichtige Rolle im Kampf gegen Krankheiten wie Pest und Tuberkulose gespielt hat, ist die menschliche Nase im Allgemeinen nicht empfindlich genug, um als zuverlässiges Diagnoseinstrument eingesetzt zu werden. Doch eine neue künstliche „Nase“, die unserem Geruchssinn nachempfunden ist, könnte es nun ermöglichen, unerkannte Krankheiten, gefährliche Gase und beginnende Lebensmittel zu erkennen. Und das alles wird durch die bereits vorhandene Technologie ermöglicht.
Was haben Ihr Mobiltelefon, Ihr Computer und Ihr Fernseher gemeinsam? Antennen. „Wir sind buchstäblich von Technologie umgeben, die über Antennentechnik kommuniziert“, sagte Michael Cheffena.
Cheffena ist Professor für Telekommunikation an der norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) in Gjøvik und glaubt, dass diese Technologie für weit mehr als nur Kommunikation genutzt werden kann:
„Durch die Ausstattung der Antennen mit Sensorfunktionen kann die bestehende Infrastruktur in neuen Anwendungsbereichen genutzt werden. Dies war einer der Hauptgründe für die Untersuchung, ob Antennen für diese Zwecke eingesetzt werden können“, fügte er hinzu.
Die einfachste Lösung ist oft die beste
Cheffena erklärte, dass frühere Versuche, sogenannte „elektronische Nasen“ zu schaffen, nicht den Vorteil hatten, dass eine vorhandene Infrastruktur leicht verfügbar sei. Darüber hinaus sind sie von einer Reihe anderer Herausforderungen betroffen, die die Antennentechnologie potenziell lösen kann.
„Andere elektronische Nasen können über mehrere hundert Sensoren verfügen, die oft jeweils mit unterschiedlichen Materialien beschichtet sind. Das macht ihren Betrieb sowohl sehr stromintensiv als auch teuer in der Herstellung. Außerdem ist der Materialverbrauch hoch. Im Gegensatz dazu besteht der Antennensensor nur aus einer Antenne.“ mit einer Beschichtungsart“, sagte Cheffena.
Das geht doch sicher auf Kosten der Genauigkeit und Funktionalität? „Im Gegenteil“, sagte Yu Dang, ein Ph.D. wissenschaftlicher Mitarbeiter am Department of Manufacturing and Civil Engineering der NTNU in Gjøvik und Hauptautor einer kürzlich veröffentlichten Studie veröffentlicht Forschungsartikel zur neuen „Antennennase“ in der Zeitschrift Sensoren und Aktoren B: Chemisch.
Der Geruch von Benzin und frisch geschnittenem Gras
Dang sagt, dass ihr Sensor zwischen den verschiedenen Gasen, mit denen er getestet wurde, mit einer Genauigkeit von 96,7 Prozent unterscheidet. Dies ist ein Ergebnis, das nicht nur mit der Leistung der bisher besten elektronischen Nasen mithalten kann, sondern diese in einigen Bereichen sogar übertrifft.
Um zu verstehen, wie die Antennennase tatsächlich funktioniert, erfahren Sie hier, wie sie tatsächlich funktioniert:
Die Antenne sendet Funksignale auf verschiedenen Frequenzen in die Umgebung. Anschließend wird analysiert, wie sie zurückgespiegelt werden. Die Art und Weise, wie sich die Signale verhalten, hängt von den vorhandenen Gasen ab. Da die Antenne Signale auf mehreren Frequenzen überträgt, erzeugen die Änderungen einzigartige Muster, die mit bestimmten flüchtigen organischen Verbindungen verknüpft werden können.
Flüchtige organische Verbindungen sind Gase, die häufig in der Luft vorkommen. Sie zeichnen sich durch einen niedrigen Siedepunkt aus, was bedeutet, dass sie bei niedrigen Temperaturen dazu neigen, zu verdampfen. Und auch wenn man sie weder sehen noch spüren kann, werden Sie bestimmt schon mehrere davon gerochen haben.
Alle lebenden Organismen, einschließlich Pflanzen, geben flüchtige organische Verbindungen ab, oft um sich vor Schädlingen zu schützen oder um miteinander zu kommunizieren. Der Geruch von frisch gemähtem Gras ist ein bekanntes Beispiel dafür.
Ein weiteres Beispiel sind die Benzindämpfe Ihres Rasenmähers. Da viele der von uns verwendeten Produkte und die Materialien, mit denen wir uns umgeben, auch flüchtige organische Verbindungen abgeben, sind in den meisten Umgebungen zahlreiche Gase in unterschiedlichen Kombinationen vorhanden. Dies macht die Aufgabe, signifikante von unbedeutenden Gasen zu unterscheiden, äußerst anspruchsvoll.
Dang erklärte, dass es noch schwieriger wird, wenn der Mischung auch Isomere hinzugefügt werden.
„Isomere sind chemische Verbindungen mit der gleichen Summenformel, bei denen die Atome jedoch auf leicht unterschiedliche Weise miteinander verbunden sind“, sagte er. Den Forschern zufolge sind sie ein bisschen wie Zwillinge: sehr ähnlich, aber nicht identisch.
„Diese Verbindungen stellen seit langem eine Herausforderung für diese Art von Sensortechnologie dar. Selbst die fortschrittlichsten E-Nasen, die aus vielen verschiedenen Sensoren bestehen, haben damit zu kämpfen“, sagte Dang.
Daher ist er sehr erfreut darüber, dass ihr Antennensensor auch bei diesen schwierigen Verbindungen so gut funktioniert.
Kann möglicherweise Krankheiten erkennen
Bisher wurde die Sensortechnologie an stoßgeschädigten Früchten und Fleischsorten unterschiedlichen Alters getestet. Durch die Anpassung der Algorithmen, die die einzigartigen „Fingerabdrücke“ der verschiedenen Gase erkennen, glauben die Forscher, dass die Technologie möglicherweise auch in der Lage sein könnte, Krankheiten zu riechen.
„Flüchtige organische Verbindungen ermöglichen es trainierten Hunden, gesundheitsgefährdende Veränderungen des Blutzuckers und Krankheiten wie Krebs zu erkennen, daher ist das Prinzip weitgehend dasselbe“, sagte Dang.
Im Gegensatz zu Hunden erfordert der Antennensensor jedoch keine monatelange Schulung oder den Einsatz spezialisierter Hundeführer. Die Grundtechnik haben Sie bereits in Ihrem Wohnzimmer.
Weitere Informationen:
Yu Dang et al., Einfache E-Nase basierend auf einer einzelnen Antenne und Graphenoxid zur Erfassung flüchtiger organischer Gasverbindungen mit ultrahoher Selektivität und Genauigkeit, Sensoren und Aktoren B: Chemisch (2024). DOI: 10.1016/j.snb.2024.136409