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„Elektronische Nase“ zur enantioselektiven Geruchsdetektion von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC)

Kurzfassung

Chiralität und Enantioselektivität sind in der Natur sehr wichtig und in ganz unterschiedlichen Bereichen entscheidend. Viele Geruchsmoleküle sind chiral und die meisten chiralen Geruchsmoleküle haben einen „enantioselektiven Geruch“. Das bedeutet, dass die menschliche Nase die einzelnen Enantiomere deutlich unterschiedlich wahrnimmt. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben neuartige Sensorarrays ("elektronische Nasen") entwickelt, die Enantiomere verschiedener flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) gleichzeitig und mit hoher Genauigkeit erkennen und unterscheiden können.

Hintergrund

E-Nasen-Systeme ohne enantioselektive Erkennung gibt es bereits und diese werden auch zur Detektion von Gerüchen eingesetzt, um z. B. die Echtheit bzw. Fälschung von Lebensmitteln beurteilen zu können. Die aktiven Sensormaterialien in solchen herkömmlichen E-Nasen verwenden typischerweise Polymere oder anorganische Materialien mit großer Oberfläche sowie metallorganische Gerüste. Im Gegensatz dazu wurden bisher viele mehr oder weniger erfolgreiche Versuche unternommen, enantioselektive Sensoren herzustellen. Verschiedene chirale Materialien auf Basis chiraler Polymere, supramolekularer chiraler Systeme, Kohlenstoff-Nanoröhren oder auf Basis von Graphen, das mit chiralen Molekülen funktionalisiert ist, wurden getestet, um die Enantiomere eines chiralen Moleküls in einem einzigen Sensoraufbau zu unterscheiden.
Der Gesamtmarkt für E-Nasen belief sich im Jahr 2020 auf geschätzte 17,9 Mio. US-Dollar. Es wird prognostiziert, dass die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate in den nächsten Jahren bei ca. 11 % liegen wird. Schlüsselmärkte liegen auch in Europa, allerdings wird der am schnellsten wachsende Markt und der größte absolute Markt in den USA angenommen.

Problemstellung

Das Anwendungsspektrum einer enantioselektiven E-Nase ist vielfältig und reicht von der Erkennung bioaktiver chiraler Pheromone, z. B. zur Messung und Unterbindung der Kommunikation von Schadinsekten, über die Untersuchung von Produktpiraterie, z. B. von chiralen Parfüms und Aromen, bis hin zur Qualitätskontrolle von Lebensmitteln. Eine enantioselektive Unterscheidung ist jedoch nach wie vor nur durch die Kombination einer konventionellen E-Nase mit einer enantioselektiven Technik wie der chiralen Chromatographie oder Elektrophorese möglich. Das ist aber zeitaufwändig und kostspielig.

Lösung

Es wurden neuartige Sensor-Arrays ("enantioselektive E-Nasen") entwickelt, die in der Lage sind, Enantiomere verschiedener flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) gleichzeitig und mit hoher Genauigkeit zu erkennen und zu unterscheiden. Sie basieren auf Quarzkristall-Mikrowaagen-Sensoren (QCM-Sensoren), die mit sechs verschiedenen nanoporösen homochiralen und achiralen Metall-organischen-Gerüst-Dünnschichten (MOF-Dünnschichten) beschichtet sind. Durch maschinelle Lernalgorithmen, die auf der k-nächste-Nachbarn-Algorithmus-Analyse (kNN-Analyse) basieren, kann das erfindungsgemäße Sensorarray alle Moleküle und ihre Isomere mit mehr als 97 % Sicherheit unterscheiden.

Vorteile

  • Enantioselektive Detektion von chiralen Molekülen und Gemischen
  • Kombination des E-Nasen-Aufbaus mit verschiedenen homochiralen Dünnschichten aus metall-organischen Gerüsten (MOFs)
  • Hohe Genauigkeit
  • Hohe Empfindlichkeit
  • Verwendet maschinelle Lernalgorithmen (k-nächste-Nachbarn-Algorithmus, kNN) zur stereoselektiven Identifizierung

Anwendungsbereiche

Enantioselektive E-Nasen sind, im Gegensatz zur Olfaktometrie mit menschlichen Personen, die nur Stichproben prüfen können, geeignet zur automatisierten Überwachung von chiralen Geruchsquellen. Es sind vielfältige Anwendungen möglich, insbesondere die Erkennung von Produktpiraterie, z. B. von chiralen Duft- und Geschmacksstoffen, und die Qualitätskontrolle von Lebensmitteln wie Olivenöl.

Publikationen und Verweise

Okur, Salih; Qin, Peng; Chandresh, Abhinav; Li, Chun; Zhang, Zejun; Lemmer, Ulrich; Heinke, Lars (2021):
"Eine enantioselektive elektronische Nase: Ein Array nanoporöser homochiraler MOF‐Filme zur stereospezifischen Erkennung chiraler Geruchsmoleküle."
In: Angew. Chem. 133 (7), S. 3609–3614. DOI: 10.1002/ange.202013227

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