DE10000738B4

DE10000738B4 - Festkörpererkennung mittels elektronischer Nase

Info

Publication number: DE10000738B4
Application number: DE2000100738
Authority: DE
Inventors: Kai Heining; Joern Heinlein
Original assignee: Heining Kai Dr-Ing; Heinlein Jorn Dr
Current assignee: Heining Kai Dr-Ing; Heinlein Jorn Dr
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: DE10000738A1

Abstract

Verfahren zur Analyse einer festen Substanz durch Erhitzen einer Probe, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe beim Erhitzen pyrOlysiert, die entstehenden Pyrolysegase durch direkt registrierende, parallel betriebene Sensoren in ihrem zeitlichen Verlauf analysiert werden und die Substanz durch diesen zeitlichen Verlauf charakterisiert wird.

Description

Nach GARDNER und BARTLETT (1994) ist eine elektronische Nase ein Instrument, welches verschiedene elektronische (Gas-) Sensoren von spezifischer Selektivität mit einer Mustererkennung koppelt und dadurch imstande ist, einfache und komplexe Gerüche zu identifizieren.

Die Vorteile der elektronischen Nase liegen in der on-line, d.h. schnellen Detektion, der einfachen Handhabung sowie in den niedrigen Kosten für Beschaffung und Betrieb des Gerätes.

Nach dem heutigen Stand der Technik werden elektronische Nasen dort eingesetzt, wo beispielsweise die Qualitätseigenschaften von Produkten anhand ihres Geruchs in der Nahrungsmittelindustrie in automatisierbarer Form überprüft werden sollen oder wo Nahrungsmittel unterschiedlicher Herkunft und Eigenschaft nach einer Standardvorgabe zu einem Qualitätsprodukt gemischt werden sollen.

Für den ersten Fall sei die Qualitätskontrolle von Speiseölen auf verderbliche Prozesse, d.h. das Ranzig-werden genannt. Die elektronische Nase detektiert und qualifiziert dabei die durch Oxidation der betreffenden Öle gebildeten, im Gasraum über dem Öl befindlichen Geruchsstoffe.

Für den zweiten Fall sei das Verschneiden von Kaffeesorten unterschiedlicher Herkunft und unterschiedlicher Jahrgänge zu einem Standardprodukt, wie es dem Kundenwunsch entspricht, genannt. Auch hier werden die im Luftraum über den Kaffeesorten enthaltenen Aromastoffe gemessen und dienen als Maßgabe für das anschließend zu realisierende Mischungsverhältnis. Die Kaffeeprobe wird in diesem Fall durchaus auch erhitzt, um weitere Aromastoffe freizusetzen.

Die elektronische Nase wird auch zur Überwachung im Anlagen-Immissionsschutz eingesetzt. Bei immer wieder auftretenden Beschwerden gegen Anlagenbetreiber lassen sich spezifische Gerüche mittels der elektronischen Nase schnell und eindeutig bestimmen und gegebenenfalls einem in Verdacht stehenden Emittenten zuordnen.

Wie die Beispiele zeigen, ist nach dem derzeitigen Stand der Entwicklung die elektronische Nase ausschließlich auf Gerüche, wie sie unwillkürlich von Anlagen bzw. den darin verarbeiteten Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen gerichtet. Dies ist eine unnötige Einschränkung der Anwendungspotentiale der elektronischen Nase und die vorliegende PA ist bemüht, diese Beschränkung durch ein Verfahren und ein Gerät substantiell zu erweitern. Die vorliegende PA will eine Technik vorführen, nach der das Spektrum der identifizierbaren Substanzen von – wie bekannt – flüchtigen Gasinhaltstoffen (Geruchsstoffen) auf die Identifizierung von Festkörpern erweitert werden kann. Mit anderen Worten, es soll durch die PA auch die Charakterisierung von Festkörpern ohne einen nennenswerten Eigendampfdruck oder direkt flüchtigen Inhaltsstoffen durch die elektronische Nase ermöglicht werden.

Entgegen der Druckschrift US 4,884,435 , wo die Erhitzung einer (Feststoff-)Probe ausdrücklich nur Gerüche emittierende Substanzen bei der Freisetzung dieser unterstützt, sollen durch die PA auch z.B. hochvernetzte, nichtschmelzende Substanzen untersucht werden, die bei einer Erhitzung pyrolysiert (zersetzt) werden. Auch wird die Heizvorrichtung in US 4,884,435 nicht als essentieller Bestandteil der Apparatur beschrieben, in der PA ist diese ein unabdingbarer Bestandteil zur Zersetzung von Feststoffproben. Weiterhin wird im Gegensatz zu US 4,884,435 durch die Heizvorrichtung nicht die Empfindlichkeit der Apparatur erhöht, sondern eine ganz andere Art von Signalen gewonnen, die bei der Pyrolyse der Probe erst entstehen.

In der Druckschrift WO 99/42820 werden mittels einer Erhitzung Gasgemische aus einem Adsorber freigesetzt. Sie entstehen nicht durch eine Zersetzung von Feststoffen, wie es in der PA beschrieben wird.

Funktionsweise und Nutzen der PA

Zur Charakterisierung von Festkörpern mittels der elektronischen Nase ist die Methodik der Probenaufnahme mittels eines Kunstgriffes zu erweitern. Der Kunstgriff besteht in einer Beheizungsvorrichtung zum kontrollierten Verschwelen (Zersetzen, Vergasen) der zu identifizierenden Festkörperprobe. Viele Festkörper haben bei Raumtemperatur praktisch keinen Dampfdruck, dass von ihnen ausgehende charakteristische Gase für die elektrische Nase unter Normalumständen nicht detektierbar sind. Dieser Dampfdruck wird z.B. nach US 4,884,435 oder auch WO 99/42820 durch die Heizung so stark erhöht, dass die Probe eine ausreichende Substanzmenge in den gasförmigen Aggregatzustand freisetzt, wie sie für die erfolgreiche Identifikation mittels elektronischer Nase erforderlich ist.

Viele Stoffe haben nun allerdings keinen im physikalischen Sinne beschreibbaren Dampfdruck. Gedacht werden mag an hochvernetzte Kunststoffe oder vollständig erhärtete Lacke oder Klebstoffmischungen. Derartige Materialien werden nach der beschriebenen Technik der PA der kontrollierten Aufheizung in einen Temperaturbereich gebracht, wo sie beginnen, sich zu zersetzen, zu pyrolysieren. Die Pyrolyseprodukte sind eindeutig eine zeitlich abfolgende Funktion der Festkörperbestandteile und daher hochspezifisch für die Festkörper. Während des Pyrolyseprozesses werden die Pyrolysegase der elektronischen Nase zugeführt und charakterisiert. In der Folge wird ein elektronisches Nasensignal-Temperaturdiagramm des zu bestimmenden Festkörpers aufgenommen, wodurch der Festkörper in seiner Identität genau charakterisiert werden kann.

Vorteile des durch die PA beschriebenen Verfahrens

Die Vorteile des in der PA beschriebenen Verfahrens zur Festkörpererkennung mittels elektronischer Nase gegenüber herkömmlichen Verfahren wie bspw. Gaschromatographie mit Massenspektrometrie sind die folgenden:
Eine um in der PA beschriebene Vorrichtung erweiterte, elektronische Nase mit Datenverarbeitung ist leicht transportabel. Ergebnisse sind in wenigen Minuten verfügbar und außerordentlich differenziert. Eine Probenvorbereitung entfällt und weitere chemische Hilfsmittel wie Solventien etc. werden nicht benötigt.

Das Verfahren ist selbstverständlich automatisierbar und die Bedienung des Gerätes wird durch technisches Personal in kurzer Zeit erlernt.

In einer beliebig geformten Kammer (1) mit einer Heizung (6) kann eine Probe (2) einer zeitlich konstanten oder veränderbaren Temperatur ausgesetzt werden. Die Kammer kann einer mit einem Gas (zum Beispiel Stickstoff) aus einer Aufbereitung (3) oder auch mit Umgebungsluft durchspült werden. Durch den Trägerstrom und/oder durch den Dampfdruck der entstehenden Gase und/oder eine Pumpe (4) wird eine Anordnung von mehreren parallel arbeitenden Sensoren (5) mit dem entstehenden Gas angeströmt und zu einer Wechselwirkung gebracht (1).
Die Wechselwirkung der Sensoren (2 zeigt drei Sensoren) mit den von der Probe im zeitlichen Verlauf der Temperaturerhöhung herrührenden Substanzen produziert ein charakteristisches Muster. Anhand dieses Musters können beliebige Proben eindeutig unterschieden bzw. charakterisiert werden.

Claims

Verfahren zur Analyse einer festen Substanz durch Erhitzen einer Probe, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe beim Erhitzen pyrOlysiert, die entstehenden Pyrolysegase durch direkt registrierende, parallel betriebene Sensoren in ihrem zeitlichen Verlauf analysiert werden und die Substanz durch diesen zeitlichen Verlauf charakterisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die parallel betriebenen Sensoren eine elektronische Nase eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch von der Probe freigesetzte Aerosole und Partikeln registriert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer, in der die Probe erhitzt wird, durch katalytische Beschaffenheit auf die Zersetzung der Probe Einfluß nimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein umgebendes Gas mit der Probe reagiert und die Zersetzung der Probe beeinflußt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Sensorsignale mit der Temperatur der Feststoffprobe zur Charakterisierung der Probe verwendet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kammer (1) mit einer Heizung (6) aufweist, in der eine Probe (2) einer zeitlich konstanten oder veränderbaren Temperatur ausgesetzt werden kann.