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Elektronische Zunge und ihre Anwendungen

18.08.2016 | 12:01 Uhr |

Eine elektronische Zunge kann alles messen, was Ionen enthält. Eingesetzt wird sie unter anderem für die Prüfung von Lebensmitteln.

Mit einer elektronischen Zunge, mit der sich alles messen und prüfen lässt, was Ionen enthält, hat jeder Mensch die Möglichkeit, seine Umwelt objektiv zu erkunden. Vor allem aber gibt sie Aufschluss bei der Ernährung – mit ihr kann der Nutzer beispielsweise Qualität und Geschmack seiner Lebensmittel prüfen.

Bislang ist die elektronische Zunge allerdings noch nicht in privaten Haushalten zu finden. Ihre Einsatzgebiete sind die Lebensmittelbranche, die Pharmaindustrie (Geschmack von Medikamenten) und die Bereiche Chemie, Physik, Biologie und Technik. Sogar zur Feststellung von Krankheiten über die Haut kann die Elektronische Zunge eingesetzt werden.

Wie funktioniert die Elektronische Zunge?

Zwei Elektroden aus unterschiedlichen Metallen berühren ein Messobjekt. Sind in diesem Ionen enthalten, was bei ein wenig Feuchtigkeit immer der Fall ist, so entsteht an diesem Objekt ohne einen Messstrom eine elektrische Spannung wie bei einer Batterie oder einem Akku. Diese Spannung wird somit elektrochemisch erzeugt. Sie ist ein Maß für einen durch Ionen charakterisierten Zustand des Objekts und wird zur Kennung eingesetzt.

So einfach das Messprinzip auch erscheinen mag – man braucht doch erhebliches Know-how für seine Ausgestaltung und Etablierung. Und eigentlich geht es nicht ums Messen, sondern ums Erkennen und Wiedererkennen. Die ganze Mathematik der Objekt- bzw. Mustererkennung muss herangezogen werden, wie auch das Ingenieurwissen zu Entwurf und Konstruktion.

Schon bei der Auswahl der Elektrodenmaterialien kann einiges schiefgehen, wenn man bedenkt, welche nahezu unendliche Vielfalt sich bei Legierungsbestandteilen und deren Anteilen ergeben. Hier das Optimum zu finden, ist nur mit ausgefeiltem wissenschaftlichem Herangehen möglich.

Anlernen und Wiedererkennen

Eine Elektronische Zunge sollte, um ihrem Namen gerecht zu werden, auch wie die biologische organisiert sein. Mit anderen Worten heißt das: eine Abkehr von einer chemischen Analytik und eine Hinwendung zum Erfassen eines Gesamteindrucks, eines übergeordneten Geschmacks. Übergeordnet deswegen, weil alle Objekte, die Ionen enthalten und nicht nur diejenigen, die der Ernährung dienen, erfassbar sind.

Dazu muss die Elektronische Zunge angelernt werden, wie es die mathematische Objekt- bzw. Mustererkennungstheorie vorschreibt. Diese Daten werden auf einem elektronischen Speicher abgelegt. Bei einer neuen Messung werden die neuen Daten mit denen auf dem Speicher verglichen, wobei werden Klassifizierungsverfahren eingesetzt werden. Die Daten mit der größten Ähnlichkeit sind dann das Ergebnis einer Wiedererkennung.

Lebensmittel

Die Qualität der Lebensmittel ist wichtig für unsere Gesundheit - sie zu prüfen, ist ein Anwendungsgebiet für eine Elektronische Zunge, da nahezu jede Nahrung mindestens einen Hauch von Feuchtigkeit aufweist. Angefangen mit Frischemodellen geht es zu Produktqualitäten und möglicherweise Beimischungen, die in ein Lebensmittel nicht hineingehören, bis zu Technologieüberwachungen – also ganz allgemein zur Gesundheit erhaltenden Lebensmittelsicherheit.

Das gilt sowohl für den Verbraucher als auch für den Produzenten. Beide gewinnen durch eine schnelle und aussagekräftige Feststellung des jeweiligen bzw. wünschenswerten Zustands. Der physiologische Geschmack kann damit von der Subjektivität in die Objektivität überführt werden. Humansensoriker und Analyselaboratorien bleiben dabei nicht außen vor, sondern ihre Ergebnisse und Beurteilungen werden für das umfangreiche Anlernen benötigt.

Kommen alle diese Daten auf eine Geschmacksdatenbank, auch weltweit (Weltgeschmacksdatenbank), kann man eine Original-Rezeptur jederzeit über das Internet über den neuen Beschreibungsvektor abrufen und die Übereinstimmung mit dem vorliegenden Lebensmittel durch einfaches Antasten mit der elektronischen Zunge prüfen.

Mathematisch eingesetzt wird, wie schon erwähnt, dazu die Objekt- bzw. Mustererkennungstheorie. Das aber kann im Hintergrund über einen Computer ablaufen und muss den Anwender nicht weiter interessieren.

Medizin

Für die Medizin ist die Erfassung von Krankheiten, die sich auf der Haut abbilden, wegen der Nichtinvasivität besonders interessant. Das sind beispielsweise Diabetes und Nierenkrankheiten. Aber auch Krebs, der sich wegen des veränderten Stoffwechsels in den Zellen über veränderte Ionenkonzentrationen erkennbar macht, lässt sich feststellen.

Analytische Bestimmungen werden dabei besser den Analyselaboratorien und ihren ausgeklügelten Nachweismethoden überlassen. Wunden dagegen kann man durch Abtasten mit der Elektronischen Zunge schnell auf ihren Heilungszustand prüfen wie auch alle anderen durch Ionen charakterisierten Auffälligkeiten.

Vorteilhaft ist die Möglichkeit, Arzneien einer Prüfung zu unterziehen. Dies ist durch das Problem der Produktpiraterie in manchen Ländern, insbesondere Urlaubsländern, evident. Es reichen einige Tropfen Wasser und schon lässt sich eine Tablette in eine Suspension überführen, die durch Antasten mit dem Messkopf der Elektronischen Zunge eine Kennung liefert. Die kann man dann mit einer Originalkennung vom Hersteller vergleichen und kann schnell sehen, ob ein Plagiat vorliegt oder nicht. Auch für teure Kosmetik ist dies eine Prüfmöglichkeit.

Umwelt

Die Umwelt des Menschen ist durch Biologie und Chemie geprägt. Überall, wo Ionen vorhanden sind, kann die Elektronische Zunge zur Zustandsbeschreibung herangezogen werden. Flora und Fauna weisen im lebenden wie auch vielfach im abgestorbenen Zustand ionische Bestandteile auf. Sie alle lassen sich mit dem elektrischen Beschreibungsvektor erfassen. Das ist interessant sowohl für den Schutz der Umwelt als auch für die Nutzung.

Es beginnt beim Wasser in jeder Form und Vorkommen wie auch bei der Erde in Landwirtschaft und Umweltschutz. Es setzt sich fort bei den Tieren und bei den Pflanzen: Blätter, Blüten, Stängel, Früchte und Wurzeln lassen sich über die Ionen, in oder durch sie beschreiben. Das gilt sowohl für die natürlich und wild vorkommenden als auch für Nutzpflanzen und ihre Anbaubedingungen. Eine Elektronische Zunge kann für Naturschützer ein praktischer Assistent sein, um Vermutungen und Glauben zu ersetzen durch Erkennen und darauf aufbauendes sinnvolles Handeln.

Bodenschätze sind dabei etwas komplizierter zu behandeln. Sie müssen immerhin, wenn nicht genügend oder keine Ionen vorliegen, erst in diesen Zustand gebracht werden – hier kommen die Chemie bzw. Ionisierungsverfahren ins Spiel.

Technik

Die Technik und ihre technischen Produkte sind durch Elektronische Zungen schwierig oder gar nicht zu erfassen. Nur dort, wo man mit Ionen hantiert, etwa in der Chemie- oder Biotechnik, können Ionen zur Zustandsbeschreibung nützlich sein. Dennoch gibt es einige Bereiche, wo man die Elektronische Zunge einsetzen kann, etwa im Bauwesen mit seinen Baumaterialien wie Beton, dem Gebäudezustand oder dem Baugrund.

Resümee

Alles auf der Welt, was sich über Ionen darbietet, ist mittels der Elektronischen Zunge elektrochemisch in elektrische Spannungen transformierbar und am Computer auswertbar. Man kann davon ausgehen, dass sich für den Einsatz der Elektronischen Zunge noch viele neue Geschäftsfelder ergeben werden.

An diesem Beitrag mitgearbeitet hat Dr. Horst Ahlers , Geschäftsführer der Multisensoric GmbH in Jena. Er hat 25 Jahre Dozenturen an den Universitäten Karl-Marx-Stadt (Chemnitz) und Jena und war 15 Jahre Vorsitzender der Forschungsorganisation Jenasensoric e.V.

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