Low Cost Gaschromatographie: Sensorarray für Lebensmittelschnelltests

In der modernen Lebensmittelproduk­tion...

Schema des Messsystems: 1 Probe; 2 Trocknungsmittel; 3 temperierte Trennsäule; 4 Sensor Array; 5 Auswertesoftware
© FhG IME
Schema des Messsystems: 1 Probe; 2 Trocknungsmittel; 3 temperierte Trennsäule; 4 Sensor Array; 5 Auswertesoftware
Metalloxid Sensor vom Fraunhofer IPM
© FhG IPM
Metalloxid Sensor vom Fraunhofer IPM
Chromatogramm
© FhG IME
Oben: GCMS-Chromatogramm der Targetsubstanz nach 48 h Einwirkzeit. Unten: Sensor-Chromatogramm der Targetsubstanz nach 6 h Einwirkzeit. Die anderen Peaks stehen für die Laborreinigungssubstanzen

...sind im hohen Maße komplexe verfahrenstechnische Abläufe vor­handen, deren Kontrolle bzgl. Lebens­mittelsicherheit und -qualität unerlässlich ist. Die Zunahme an nationalen und internationalen Richtlinien, Verordnungen und Gesetzen zur Lebensmittelqualität und -sicherheit bedingt immer genauere Kontrollen durch staatliche Stellen und/oder betriebsinterne Qualitätssicherheitssysteme (Hazard Analysis Critical Control Point, HACCP-Konzept). Häufig wird dabei ein aufwendiger Zwischenschritt benötigt, da einzelne Herstellungsprozesse im Kontrolllabor analytisch überwacht werden müssen. Diese Kontrollmechanismen bedeuten insbesondere für KMUs eine zusätzliche finanzielle Belastung. Günstiger sind so genannte „on-line“-Methoden, die in den Herstellungsprozess integriert sind.

Zurzeit beschränken sich diese »on-line-Methoden« auf einfachste chemi­sche und physikalische Parameter (z. B. pH-Wert, Temperatur); somit kann nur ein Teil der qualitäts- und sicherheitsrelevanten Fragestellungen beantwortet werden. Aufgrund ihrer Unzuverlässigkeit werden komplexere Systeme derzeit nicht verwandet.

Ziel

In Zusammenarbeit mit dem Fraun­hofer Institut für Physikalische Messtechnik sollte im Rahmen eines Eigenfor­schungspro­jektes ein robustes und kosten­günstiges Gassensorarray zur Schnelldetektion flüchtiger Verbin­dun­gen entwickelt werden. Anwen­dung soll es in den verschiedenen Bereichen der Lebensmittelindustrie finden:

  • Wareneingangskontrolle
  • Prozesskontrolle
  • Lagerung und Transport

Projektbeschreibung

Die Lösungsidee besteht darin, kom­mer­zielle preisgünstige Metalloxidsensoren (Abb. 1) zu nutzen, wie sie bereits Abgas- und Lüftungskon­trolle und als Brandmelder eingesetzt werden in Kombination mit einem der Gaschro­matographie angelehnten System. Im Unterschied zu bisherigen Ansätzen, den sogenannten elektronischen Nasen, besitzt dieses Sys­tem eine chromatographische Trennsäule, die ein Gasgemisch auftrennt und den Sensoren Einzelsubstanzen zuführt (Abb. 2). In der ersten Projektphase wurden die notwendigen Einzelkomponenten aufeinander abgestimmt. In Projektphase zwei wurden diese zu einem ganzheitlichen System zusammenge­setzt und im Rahmen von ‚Proof of Principles’ Experimenten getestet.

Ergebnisse

Erste Tests wurden mit Standard­substan­zen durchgeführt. Als Metalloxidsen­so­ren wurden kommerzielle und im Fraun­hofer IPM hergestellte Sensorarrays ein­gesetzt. Innerhalb von sechs Minuten konnten alle vier Substanzen detektiert werden (Gaschromatographie ca. 45 Minuten); die Sensoren arbeiteten genauso reproduzierbar wie die Referenzanalytik, die Sensitivität lag jedoch bis zum Faktor 10 höher. In weiteren Experimenten wurden Fragestellungen aus der Praxis bearbeitet. So konnte eine bak­terielle Kontamination mittels der flüchtigen Metaboliten wesentlich schnel­ler nachgewiesen werden als mit der klassischen mikrobiologischen Analytik. Dazu wurden die flüchtigen Metabolite mittels Headspace Gaschromatogra­phie identifiziert und anschließend der experimentelle Ansatz auf das Sensorsystem übertragen. Abb. 3 zeigt die Ergebnisse.

Das Projekt wird aus Mitteln der Fraunhofer-Gesellschaft finanziert.