Sensorik Sensorchip warnt vor verdorbenen Lebensmitteln

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Forscher der University of California, Berkeley, haben einen miniaturisierten Sensorchip entwickelt, der verdorbene Lebensmittel anhand ihres Geruchs erkennt. Das System kombiniert ein Array aus 16 Gassensoren mit maschinellem Lernen – und kommt dabei ohne Heizelemente aus.

Viele Menschen verlassen sich auf den Geruchstest, um zu entscheiden, ob leicht abgelaufene Milch oder Reste vom Vortag noch genießbar sind. Doch die menschliche Nase ist nicht zuverlässig genug: Sie erkennt nicht alle gefährlichen Veränderungen in Lebensmitteln. Die Folgen sind erheblich – allein in den USA erkranken jedes Jahr Millionen Menschen an lebensmittelbedingten Infektionen, die durch verdorbene oder unzureichend gegarte Lebensmittel entstehen.
Forschende der UC Berkeley haben deshalb eine „elektronische Nase“ entwickelt, die deutlich präziser arbeitet. Das Gerät erkennt Gase, die von schädlichen Bakterien ausgehen, und identifiziert zudem häufige Allergene wie Walnüsse und Erdnüsse. So kann es frühzeitig vor gesundheitlichen Risiken warnen.

Ein mögliches Einsatzfeld sind intelligente Kühlschränke: Ausgestattet mit entsprechenden Sensoren könnten sie Nutzer aktiv darauf hinweisen, wenn Lebensmittel bald verderben oder nicht mehr sicher verzehrt werden sollten.

16 Sensoren mit individueller Beschichtung

Herzstück des Systems ist ein Array aus 16 miniaturisierten Gassensoren. Jeder Sensor trägt eine spezifische chemische Beschichtung, die auf unterschiedliche flüchtige Verbindungen reagiert und diese in elektrische Signale umwandelt. Im Gegensatz zu vielen konventionellen Gassensoren, die auf hohe Betriebstemperaturen angewiesen sind, arbeitet der Chip bei Raumtemperatur. Das vereinfacht nicht nur die Ansteuerung, sondern erweitert auch das Spektrum einsetzbarer Sensormaterialien.Zur Fertigung nutzten die Entwickler das sogenannte Drop-Casting-Verfahren – eine simple und kostengünstige Beschichtungsmethode, die sich gut für die Serienproduktion eignet.

Hohe Empfindlichkeit in Tests bewiesen

Die Ergebnisse zeigen eine hohe Empfindlichkeit: Das System erkennt bereits 0,05 Gramm Walnuss – etwa ein Hundertstel einer durchschnittlichen Nuss. Einschränkungen bestehen jedoch noch bei komplexeren Umgebungen. Künftig muss das Gerät auch zuverlässig funktionieren, wenn verschiedene Gerüche gleichzeitig auftreten, etwa in gemischten Speisen oder in einem gefüllten Kühlschrank.

 „Die Idee dahinter ist, dass wir die relative Selektivität der Gassensoren in Verbindung mit den Mustererkennungsfähigkeiten des maschinellen Lernens nutzen können, um herauszufinden, welcher Gas-Fingerabdruck zu welchem Lebensmittel gehört“, sagte Bassil. „Das Ergebnis ist ein Sensorchip, der weitaus empfindlicher und objektiver ist, als es jede menschliche Nase jemals sein könnte.“

Fortschritt dank Kohlenstoffnanoröhren

Das Konzept der elektronischen Nase existiert bereits seit den 1980er-Jahren. Die praktische Umsetzung scheiterte jedoch lange an technischen Hürden. Einzelne Gassensoren – etwa in Kohlenmonoxidmeldern – lassen sich zwar relativ einfach herstellen. Schwieriger ist es, viele unterschiedliche Sensoren auf einem einzigen Chip zu integrieren.Einen entscheidenden Fortschritt erzielte Carla Bassil von der UC Berkeley durch den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren als leitfähiges Material. Im Gegensatz zu herkömmlichen Metalloxiden bilden sie extrem dünne Schichten im Nanometerbereich. Ihre große Oberfläche sorgt für eine hohe Empfindlichkeit – und das bereits bei Raumtemperatur.
Dieser Ansatz bringt mehrere Vorteile: Der Sensor muss nicht erhitzt werden und kann daher mit einer größeren Bandbreite an Materialien arbeiten, darunter auch temperaturempfindliche Polymere. Zudem vereinfacht sich die Herstellung. Statt komplexer Verfahren kommt das sogenannte „Drop Casting“ zum Einsatz, bei dem die Materialien in einem einzigen Schritt auf den Chip aufgebracht werden. 

Das Ergebnis ist ein skalierbares Sensordesign, das unterschiedliche Sensormaterialien effizient kombiniert und damit die Grundlage für den praktischen Einsatz elektronischer Nasen schafft.

Potenzial für Kühlschrank und Handheld-Geräte

Die Entwickler sehen Anwendungspotenzial vor allem in der Integration in Kühlschränke oder als eigenständiges Handmessgerät. Verbraucher könnten so in Echtzeit erfahren, ob ein Lebensmittel noch genießbar ist – ein Beitrag zur Reduzierung von Lebensmittelverschwendung, die allein in Privathaushalten einen erheblichen Anteil ausmacht.Für die Elektronikentwicklung ist der Ansatz auch deshalb interessant, weil er zeigt, wie sich kostengünstige Sensorarrays mit smarter Signalverarbeitung kombinieren lassen, um komplexe chemische Analysen ohne teure Laborgeräte durchzuführen.