Zentralblatt 06/2010, S. 20, 08.06.2010, 15:02, BWILF

1SYSCA AG, Stutensee

Elektronische Nasen zur Begasungsmittelmessung – Ein Blick in die Zukunft Ilona Koronczi1, Felix Schmidt1

I. Koronczi, F. Schmidt: Elektronische Nasen zur Begasungsmittelmessung – Ein Blick in die Zukunft. Zbl Arbeitsmed 60 (2010) 200–202

Schlüsselwörter: Elektronische Nase – Gefahrstoffdetektion – Frachtcontainer – Validierung Zusammenfassung Elektronische Nasen sind seit etwa fünfzehn Jahren als einfach zu bedienende, industrietaugliche Messgeräte für die ganz-

heitliche Detektion von Gas- und Geruchsatmosphären etabliert. Mit Hilfe innovativer Methoden der Mustererkennung können bei einigen Gerätetypen auch einzelne Gaskomponenten aus den integralen Messsignalen erkannt und quantifiziert werden. Da die Geräte hardwareseitig eine hohe und breitbandige Empfindlichkeit für unterschiedlichste Gasklassen aufweisen und per Softwareupdate sehr einfach auf die Detektion neuer Gase umgestellt werden können, sind derartige Messgeräte prinzipiell geeignet, um vielfältige Problemstellungen bei der Gefahrstoffdetektion vor Ort zu lösen. In diesem Beitrag werden einige bereits vollzogene sowie weitere notwendige Entwicklungen vorgestellt, die zu einer sicheren Gefahrstoffdetektion in Fracht-containern beitragen.

Electronic Noses for measurement of fumigants – A View into the Future

I. Koronczi, F. Schmidt: Electronic Noses for measurement of fumigants – A View into the Future. Zbl Arbeitsmed 60 (2010) 200–202

Key words: Electronic Nose – hazard analysis – freight container – validation Summary Electronic Noses (ENs) are established for about fifteen years for the integral detection of gas atmospheres or odours. By

means of innovative pattern recognition methods individual gas components can be detected from an EN's integral signal patterns. ENs have a high sensitivity for a wide range of gas classes. Additionally, they can easily be customized for new detection tasks via a software update. Consequently, they have a high potential for solving analytical problems concerning onsite detec-tion of hazardous gases. This article specifies some recent developments and lists what additional development has to be made in order to enable reliable hazard detection in freight containers.

Anschrift der Autorin:

Dr. rer. nat. Ilona Koronczi ■ SYSCA AG ■ Helmholtzstr. 9 ■ D-76297 Stutensee

Messprinzip Elektronischer Nasen Elektronische Nasen unterscheiden

sich grundlegend sowohl von hochauf-lösenden Methoden der chemischen Analytik, wie z.B. der Gaschromatogra-phie, als auch von spezifischen Einzel-sensoren.

Sie reagieren sehr breitbandig auf eine Vielzahl unterschiedlicher Gase und analysieren die sie umgebende Gas-atmosphäre integral. D.h. eine Gaspro-be, bestehend aus einem Ensemble ver-schiedener Gase, wird als Gesamtheit detektiert und durch einen Satz elektri-scher Signale abgebildet, das sogenann-te Signalmuster (vgl. Abbildung 1). Die-

ses Signalmuster bildet die Basis für die Identifizierung und Quantifizierung des Gesamtgeruchs bzw. einzelner Gaskom-ponenten. Gilt es, einzelne Bestandteile der Gasatmosphäre zu analysieren, so müssen mit Hilfe mathematischer Ver-fahren der Musteranalyse bestimmte charakteristische Merkmale des Ziel -gases in dem von anderen vorhandenen Gasen (sog. Geruchshintergründen) über-lagerten Gesamtsignal erkannt werden (vgl. Abbildung 1).

Die hardwaremäßig breitbandig auf-gestellten Elektronischen Nasen erhal-ten die für die Erkennung einzelner Gase notwendige Selektivität durch eine ge-

eignete Software. Somit können Geräte, die bereits für eine bestimmte Auf-gabenstellung im Einsatz sind, per Soft-ware-Update auf die Detektion neuer Analyten umgestellt werden.

Die Elektronische Nase ARTINOS

Die Elektronische Nase ARTINOS basiert auf einem Sensormikroarray, bei dem die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit einer Metalloxid-Detektor-schicht unter der Einwirkung der zu be-stimmenden Gase erfasst und ausgewer-tet wird. Die monolithische Detektor-schicht des Sensorarrays ist in 16 Sensor-segmente unterteilt, die durch Anwen-

200 Elektronische Nasen zur Begasungsmittelmessung – Ein Blick in die Zukunft

Zentralblatt 06/2010, S. 21, 08.06.2010, 15:02, BWILF

Zbl Arbeitsmed 60 (2010) 200–202 201

dung einer speziellen Gradiententechnik physikalisch differenziert werden und damit ein unterschiedliches Empfind-lichkeitsspektrum aufweisen. Das De-sign des Mikroarrays wurde im For-schungszentrum Karlsruhe entwi ckelt (Goschnick 2001) und auf die Eignung in verschiedenen medizintechni schen Anwendungen wie z.B. Acetonbestim-mung im menschlichen Atem oder Un-terscheidung verschiedener Bakterien-stämme anhand ihres Geruchs unter-sucht (Koronczi et al. 2002).

ARTINOS-Systeme sind bereits seit Jahren für viele Anwendungen im indus-triellen Einsatz etabliert, z.B. für die • kontinuierliche Qualitätskontrolle von

Produkten über flüchtige Komponen-ten in der Gasphase,

• Quantifizierung von komplexen Ge-rüchen oder Einzelgasen,

• Überwachung von Prozessabläufen, so z.B. die Überwachung von Pro -zesswässern in der Papierindustrie (Keppler et al 2007). Für derartig anspruchsvolle Anwen-

dungen wie die Gefahrstoffdetektion in Frachtcontainern waren jedoch weitere Entwicklungen des Systems notwendig. So wird mit dem Sensorarray ein Mess-zyklus durchlaufen, in dessen Verlauf die Empfindlichkeit des Sensorarrays durch Änderung der Betriebsparameter variiert wird. Im Laufe eines solchen Messzyklus’ werden komplexe Daten-sätze, bestehend aus einigen Tausend

Einzelwerten, als Signalmuster erhalten (s. Abbildung 1). Die Messwerte sind farbig über den 16 Sensorelementen (y-Achse) im Verlauf des Messzyklus’ (x-Achse) dargestellt. Das resultierende farbige Signalmuster repräsentiert die gesamte analysierte Gasatmosphäre. Abweichende Gaszusammensetzungen lassen sich durch Abweichungen in den Signalmustern erkennen. Die für ein be-stimmtes Zielgas signifikanten Bereiche (mit einem Lupensymbol gekennzeich-net) werden mit mathematischen Me-thoden analysiert, um die Erkennung und Quantifizierung einzelner Gas-bestandteile zu ermöglichen. Für eine derart anspruchsvolle Aufgabenstellung werden leistungsfähige Auswertever-fahren benötigt, wie z.B. Echo State Networks (ESN) aus dem Bereich der rekurrenten neuronalen Netze (Jaeger & Haas 2004).

Die Elektronische Nase ARTINOS ist als einfach zu bedienendes Handgerät erhältlich, bei dem die Messdaten auf SD-Karte geloggt werden, sodass sie auch nachträglich noch abgerufen und ausgewertet werden können.

Training und Validierung für die Ge-fahrstoffdetektion in Frachtcontainern

Durch ein entsprechendes „Training“ (Durchführung von Messungen und Auswertung der dabei erhaltenen Mess-daten) können Elektronische Nasen Signalmuster bestimmter Gase erlernen

und diese daraufhin im analytischen Einsatz – z.T. auch vor deutlich stärke-ren Geruchshintergründen – wieder-erkennen.

Wegen der systemimmanenten Quer-empfindlichkeiten von Elektronischen Nasen muss – wie bei anderen sensori-schen Messmethoden auch – besonderes Augenmerk auf ein Training unter reali-tätsnahen Bedingungen gelegt werden. Nachweisgrenzen, die unter Laborbe-dingungen für ein Reingas in Syntheti-scher Luft ermittelt wurden, halten in der Regel der Messung vor starken Ge-ruchskulissen nicht stand. Insbesondere die Messung in Frachtcontainern stellt eine große Herausforderung dar, da die Messsignale der gesuchten Begasungs-mittel oder toxischen Industriechemika-lien häufig durch vom Eigengeruch des Containerinhalts ausgehende Störsigna-le überlagert werden und somit leicht übersehen werden können.

Für die Elektronische Nase ARTINOS wurde daher von SYSCA ein spezielles Gasmischgerät entwickelt, das es er-möglicht, die Zielgase in nahezu belie-bigen Mischungsverhältnissen mit si-mulierten oder realen Geruchshinter-gründen aus Frachtcontainern zu mi-schen. Nur durch derart realitätsnahe Bedingungen bei Trainings- und Test-messungen können Messgeräte für den praktischen Einsatz vor Ort sicher vali-diert werden.

Stand der Technik und Ausblick

Unter Laborbedingungen wurde AR-TINOS für folgende Substanzen als Reingase bzw. in Mischungen der Gase untereinander trainiert: Formaldehyd, Ammoniak, Phosphin, Schwefelwasser-stoff, Brommethane, 1,2-Dichloroethane, Benzol und Sulfuryldifluorid. Aus Ver-dünnungen dieser Gase in feuchter Reinluft konnten Nachweisgrenzen im Bereich von 100 ppb für Phosphin, Ammoniak und Schwefelwasserstoff bis 10 ppm für Sulfuryldifluorid erzielt werden.

Vor geruchlichen Störkulissen, wie sie in Containern im Regelfall vorhanden sind, liegen die Nachweisgrenzen der-zeit noch um den Faktor 10 bis 100 höher. Für einige Zielgasgruppen, z.B. die halogenierten Kohlenwasserstoffe,

Abbildung 1: Mustererkennung am Beispiel der komplexen Signalmuster der Elektronischen Nase ARTINOS.

Figure 1: Complex signals as an example for the detection of the Electronic Nose Artinos.

Zentralblatt 06/2010, S. 22, 08.06.2010, 15:02, BWILF

202 Electronic Noses for measurement of fumigants – A View into the Future

konnten bei einer Messkampagne im September 2009 bei Konzentrationen über 1 ppm gute Korrelationen zwischen dem ARTINOS-Signal und den TD-GC-MS-Referenzanalysen des Zentralinsti-tuts für Arbeitsmedizin und Maritime Medizin erzielt werden, sodass eine Warnung bei der Überschreitung von anwenderseitig einstellbaren Schwell-werten mit diesem Sensorsystem prinzi-piell möglich ist. Die Unterscheidung einzelner Substanzen der detektierten Stoffklassen muss jedoch noch ver -bessert werden (Reduktion der Quer -empfindlichkeiten), da unterschiedliche Vertreter dieser Klasse eine unterschied -liche Toxizität besitzen.

Um eine sichere Detektion der Über-schreitung der gesetzlichen Grenzwerte eines größeren Spektrums an Gefahr-stoffen zu gewährleisten, müssen zu-künftig noch weitere Entwicklungen bei Hard- und Software vorgenommen werden. Zum Einen werden momentan auf Basis neuartiger Detektorschichten empfindlichere und schnellere Gas -

sensormikroarrays entwickelt. Eine höhe-re Empfindlichkeit hat niedrigere Nach-weisgrenzen zur Folge; ein schnelleres Ansprechen der Sensoren ermöglicht eine feinere Auflösung der Signalmuster mit stärker ausgeprägten signifikanten Bereichen, d.h. höherem Informations-gehalt. Zum Anderen sollen Innovatio-nen bei der Datenauswertung dazu bei-tragen, die gemessenen Signalmuster sicherer zu interpretieren. Durch die Kombination aus hardwareseitig erhöh-tem Informationsgehalt der Signal -muster und softwareseitig verbesserter Informationsausschöpfung wird eine selektivere Gaserkennung mit höherer Genauigkeit möglich.

Durch diese Entwicklungsmöglich-keiten der ARTINOS-Handgeräte, das neu entwickelte Trainingsverfahren für die Validierung unter realitätsnahen Be-dingungen sowie die Tatsache, dass die vom Hersteller validierten Auswerte -modelle per Software-Update auf ande-re, bereits im Einsatz befindliche Geräte übertragen werden können, kann Elek-

tronischen Nasen zumindest mittelfris-tig ein großes Zukunftspotenzial bei der vor-Ort-Detektion von Gefahrstoffen in Frachtcontainern zugesprochen werden.

Literatur Jaeger H, Haas H (2004). Harnessing Nonlinea-rity: Predicting Chaotic Systems and Saving Energy in Wireless Communication. Science, April 2:78–80 Goschnick J (2001). An electronic nose for intelligent consumer products based on a gas analytical gradient microarray. Microelectronic Engineering 57–58: 693–704 Keppler K, Schober K, Frietsch M (2007). Dem Geruch mit Online-Messverfahren auf der Spur. Wochenblatt für Papierfabrikation, 21–22: 1203–1205 Koronczi I, Ziegler K, Krüger U, Goschnick J (2002). Medical Diagnosis With the Gradient Microarray of the KAMINA. IEEE Sensors Journal 2/3: 254–259

Danksagung

Der Dank der Autoren gilt dem BMBF für die Förderung des Forschungsprojektes DEGENA zur Entwicklung neuartiger Daten-auswerte- und Trainingsmethoden für die Elektronische Nase ARTINOS.

Behindertenrechtskonvention

ZÜGIGE UMSETZUNG GEFORDERT

Auf Einladung des niedersächsischen Landesbeauftragten für Menschen mit Behinderungen, Karl Finke, trafen sich die Landesbeauftragten für Menschen mit Behinderungen, der Beauftragte der Bundesregierung für die Belange behinderter Menschen, Hubert Hüppe und die Bundesarbeitsgemeinschaft für Rehabilitation, vertreten durch ihren Geschäftsführer Bernd Petri zu ihrem 39. Arbeitstreffen am 4. und 5. Mai in der Autostadt Wolfsburg. Die Beauftragten fordern die Bundes-regierung und die Landesregierungen auf zu prüfen, wie die Ausreichung öffentlicher Mittel zukünftig davon abhängig gemacht werden kann, dass sich die Empfänger der Mittel verpflichten die Behindertenrechtskonvention der Vereinten Nationen (BRK) umzusetzen. Die Beauftragten benannten vier Politikfelder, die vorrangig bearbeitet werden sollen. Dies sind die inklusive Bildungspolitik, die Umwandlung von Son-dereinrichtungen zu inklusiven Angeboten, die umfassende Barrierefreiheit und die direkte Beteiligung behinderter Men-schen. Als Handlungsfelder, die sich aus der BRK ergeben, formulierten die Beauftragten die Gesundheitspolitik, die Gleichstellungspolitik, die Sicherstellung der Freiheits- und

Schutzrechte, die Rehabilitation und berufliche Teilhabe, die Politik für Frauen mit Behinderung und das selbstbestimmte Leben behinderter Menschen. Zu den Umsetzungsverpflich-tungen aus der BRK berichtete Dr. Valentin Aichele, Leiter der Monitoringstelle und machte deutlich, dass die BRK aktives Handeln des Bundes und der Länder einfordert und dabei die Einbeziehung behinderter Menschen verlangt. Mit Werner Feldes, Referent beim Vorstand der IG Metall, diskutierten die Beauftragten die Möglichkeiten und Chancen, die im Betrieb-lichen Eingliederungsmanagement liegen. Die Beauftragten fordern die Betriebe und hier insbesondere die kleinen und mittelständischen Unternehmen auf, das Betriebliche Ein -gliederungsmanagement stärker zu nutzen, um so die Arbeits-plätze von Menschen mit Behinderungen möglichst lange zu erhalten. Zum Schluss der Tagung lud die Beauftragte der bayerischen Staatsregierung für die Belange von Menschen mit Behinderungen, Irmgard Badura, die Beauftragten zum 40. Arbeitstreffen im November nach Nürnberg ein.

www.bar-frankfurt.de

Mitteilungen News