Bislang kennt die Forschung schätzungsweise 100.000 unterschiedliche biologische Verbindungen, über die benachbarte Pflanzen miteinander interagieren oder andere Organismen wie Insekten steuern“, sagt Professor Peter Nick vom Botanischen Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). „Diese Verbindungen sind bei Pflanzen der gleichen Gattung sehr ähnlich.“
Ein klassisches Beispiel in der Pflanzenwelt sei die Minze, bei der die verschiedenen Sorten mit sehr artspezifischen Duftstoffen ausgestattet seien. Insbesondere die industrielle Überwachung von Minzöl unterliege zum Vermeiden von Fälschungen einer strengen gesetzlichen Regelung, sei zeitaufwendig und erfordere viel Geschick, so der Wissenschaftler. Diese Aufgabe soll künftig eine elektronische Nase unterstützen, die Forschende vom Botanischen Institut, vom Institut für Funktionale Grenzflächen (IFG), vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und vom Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT gemeinsam entwickelt haben.
Mensch dient als Vorbild
Bei der Entwicklung orientierte sich das Forschungsteam so weit wie möglich am biologischen Vorbild: Die Geruchszellen, die beim Menschen Informationen über elektrische Impulse ans Gehirn geben, ersetzten sie durch insgesamt zwölf spezielle Sensoren. Diese bestehen aus zwei Elektroden mit einem Quarzkristall. „Die Duftstoffe der Minze lagern sich auf der Oberfläche der Sensoren ab. Dadurch ändert sich deren Resonanzfrequenz, und wir erhalten eine Reaktion auf den jeweiligen Duft“, erläutert Professor Christof Wöll vom IFG.
Die elektronische Nase haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit sechs verschiedenen Minzarten getestet – darunter klassische Pfefferminze, Pferdeminze und Katzenminze. „Mit unterschiedlichen Methoden des Maschinellen Lernens trainieren wir die Sensoren so, dass sie aus den gesammelten Daten den Fingerabdruck des jeweiligen Dufts erstellen und so die Düfte voneinander unterscheiden können“, erläutert Wöll.
Die Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsteams haben gezeigt, dass die elektronische Nase die Minzdüfte mit hoher Spezifität einer Art zuordnen kann. Zusätzlich sei die Technologie eine benutzerfreundliche, zuverlässige und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Methoden wie Massenspektrometrie, so Wöll.
