ATMosfeer ATM Moerdijk

Hebben e-Noses de toekomst om geuren te meten?

De laatste tijd is er in de media regelmatig aandacht voor de eNose. Het is een instrument wat werkt met sensoren en waarmee geuren gemeten kunnen worden. Onze nieuwsgierigheid was al snel gewekt en de redactie is er op uit gegaan om uit te vinden hoe zo'n eNose nu eigenlijk werkt en wat er precies allemaal mee gemeten kan worden. Vooral over de werking an sich lees je vrij weinig, terwijl dat toch de basis is...

E-nose E-nose

Technologie

De sensortechnologie geniet de laatste jaren grote belangstelling. Eén van de oudst bekende sensoren is het vogeltje dat in de mijnbouw werd gebruikt. Viel het vogeltje van zijn stokje, dan bevond er zich mijngas in de mijnschacht. Anderen die we allemaal kennen, komen uit de medische hoek. De zwangerschapstest en strips voor het meten van suikergehalte in urine en bloed zijn gebaseerd op specifieke reacties. Deze techniek heeft echter een stap gemaakt in de richting van het meten van grootheden zoals spanningsverschillen, stroompjes die wel of niet lopen in de aanwezigheid van stoffen. Op universiteiten is er veel aandacht voor het snel en betrouwbaar meten van diverse parameters, vaak nog gericht op het snel of vervroegd vast stellen van aandoeningen zoals kanker. Landbouw en veeteelt zijn ook toepassingsgebieden waar veel innovatie plaatsvindt. De ontwikkeling van steeds snellere, kleinere, goedkopere chips levert een grote bijdrage aan deze technologie. Doordat veel instituten hier mee bezig zijn komen er regelmatig apparaten op de markt die een totaal ander toepassingsgebied hebben. En hier begint het verhaal van de eNose. Er bestaan twee bruikbare sensortechnieken die met het meten van gassen te maken hebben. Er zijn kankersoorten waarbij de patiënt een zeer specifieke geur afscheidt. Hierbij worden kunststof sensoren gebruikt die reageren op de specifieke gassen die bij dit ziektebeeld vrijkomen. De tweede techniek is het uitrusten van de sensoren met een metaaloxide om zo diverse reacties in gang te zetten en die typisch een breder werkgebied hebben.

Begin

We maken even een stap terug in de tijd. Toen de industriële revolutie zijn intrede deed was dit vooral een mechanische revolutie. De stoommachine die menskracht verving was de aanzet. De chemische industrie is enige tientallen jaren later pas begonnen. Het bleek echter dat de kwaliteit van de gemaakte producten niet altijd even constant was. Controle werd noodzakelijk. Eerst in een laboratorium, maar in de productielijn meten zou toch handiger zijn. In de 80-iger jaren van de vorige eeuw werd hier de eerste aanzet gegeven tot het snel analyseren. Het product moet echter ook vervoerd worden en vooral lichte, ontvlambare vloeistoffen zorgen regelmatig voor ongelukken. De explosiemeter deed zijn intrede om te meten of de damp, die bijvoorbeeld in een scheepsruim hangt, een brand kan veroorzaken. Deze worden nog steeds gebruikt, maar de techniek ging verder. De PID-meter werd bedacht om stoffen te detecteren die toxisch zouden kunnen zijn voor degene die er aan bloot gesteld werd. Bij het gebruik van deze Photo Ionisation Detector moet je heel goed weten welke stoffen je wilt gaan meten. Doordat een lamp aanwezig is die licht uitstraalt van een vast energieniveau, reageert elk molecuul anders. Benzeen geeft bijvoorbeeld een totaal ander beeld dan aceton. Dat is lastig tenzij je weet welke stof je wilt gaan meten. Ook dit type meters heeft nog steeds zijn eigen toepassingsgebied. De aandachtige lezer heeft opgemerkt dat er dus in de loop van de jaren een stap is gemaakt van bescherming van materialen (schepen, tanks) naar bescherming van de mens.

Principe

Het meetprincipe van de eNose is gebaseerd op reacties die plaatsvinden aan het
oppervlak van de sensor. De sensor bestaat uit aluminiumoxide met daarop een dun laagje
tinoxide dat als geleider dienst doet. Gasmoleculen die de sensor passeren, reageren aan het oppervlak van de sensor. Door deze reactie ontstaat een spanningsverschil zodat er een stroompje gaat lopen. Dit stroompje wordt geregistreerd. In tegentelling tot de eerder genoemde PID meter, waar slechts één bron aanwezig is, is de eNose uitgerust met vier verschillende sensoren die verschillende signalen afgeven. Het zijn vier dezelfde sensoren die verschillend reageren omdat er verschillende sporenelementen toegevoegd zijn aan de tinoxide. De levensduur is erg afhankelijk van het gebruik en de omstandigheden maar bedraagt grofweg 2 tot 5 jaar.

Kwaliteit

Als men een analysemethode wil gebruiken dan zijn een aantal factoren bepalend of een methode geschikt is: robuustheid, selectiviteit, herhaalbaarheid, meetbereik.
Robuustheid is een maat voor de invloed van externe factoren, zoals in dit geval luchtvochtigheid en temperatuur. Deze invloed is zeker aanwezig, maar verschilt per stof.
Selectiviteit geeft aan of er factoren zijn die de meting beïnvloeden door zelf een reactie te ondergaan en op die manier de meting te verstoren. Bijgaande opnames van dampen van zuivere stoffen laten zien dat het aantonen van een bepaalde stof in een mengsel
niet eenvoudig is. Vaker heeft men te maken met mengsels die bestaan uit meerdere componenten.
Op dit gebied mogen er dan ook zeker geen wonderen verwacht worden van de eNose.
Herhaalbaarheid is een maat voor hetzelfde meten met verschillende instrumenten en/of op verschillende momenten. Dit valt of staat met de nauwkeurigheid waarmee de sensors gemaakt zijn. Volgens de fabrikant is uit testen gebleken dat er weinig tot geen verschil zit tussen metingen met hetzelfde instrument, maar ook niet tussen de verschillende instrumenten.
Meetbereik moet zo groot mogelijk zijn, want men wil graag lage en hoge concentraties kunnen meten. Het zou niet handig zijn als voor bepaalde componenten het instrument pas reageert als de concentratie ver boven de giftigheidsgrens ligt. Andersom, een zeer hoog signaal bij lage concentratie, doet de bruikbaarheid ook geen goed omdat zo'n signaal alle andere als het ware wegdrukt.

Ammoniak

Bruikbaarheid

Ondanks het feit dat de eNose beperkt is qua selectiviteit, is het zeker wel een bruikbaar instrument. De kracht zit hem in de prijs, krachtige software en eventuele mobiliteit. Door de lage aanschafprijs is het mogelijk om relatief goedkoop een meetnet op te zetten. Door veel meetpunten te realiseren, is het mogelijk om te volgen welke eNose wanneer, welk patroon laat zien. In combinatie met gegevens over de windrichting kunnen emissiebronnen beter opgespoord worden dan voorheen. Op deze manier is bijvoorbeeld een schip te traceren dat aan het ontgassen is, maar ook als er bijvoorbeeld ergens op het industrieterrein een lekkage is opgetreden.
Daarnaast is het dankzij de software mogelijk om het instrument te leren om geuren te herkennen. Als er op een bepaalde locatie een typische geur waargenomen wordt, kan men deze in de database opslaan onder een bepaalde naam. Dit patroon wordt dan later eventueel herkent als deze geur weer (elders) wordt waargenomen.Door het instrument te voeden met kenmerkende geuren kan dit een extra toegevoegde waarde zijn in de toekomst. Een garantie is dit natuurlijk niet, omdat de samenstelling van de geur aan verandering onderhevig kan zijn zonder dat het typische geurelement er uit verdwijnt.

Meetnet

Om een goed beeld te krijgen van welke stoffen er in een bepaald gebied vrijkomen, zijn in het verleden meetnetten opgezet bestaande uit analytische instrumenten, met daaraan gekoppeld zelf-aanzuigende monstername apparatuur. Dit laatste is nog steeds de beste methode waar echter een hoog kostenplaatje aan vast zit qua aanschaf en onderhoud van de apparatuur. Het monitoren van fijn stof en ozon wordt op soortgelijke wijze gedaan. Samenhangend met deze hoge kosten is dat zo'n systeem niet flexibel is en bij calamiteiten niet even neergezet kan worden. Dankzij de eNose technologie kan er een ander type meetnet worden opgezet. Men kan voor hetzelfde bedrag als een analytisch instrument een veelvoud aan eNoses aanschaffen. Middels de draagbare versie kan men bij calamiteiten snel reageren en acteren. De mogelijkheid ontstaat dus om geurwolken te volgen en samen met gegevens over windrichting de bronlocatie te bepalen.
De milieudienst in de regio Rijnmond is hier als eerste mee aan het experimenteren geweest. Inmiddels zijn op het industrieterrein Moerdijk en in de directe omgeving 29 eNoses geïnstalleerd.

Overzicht van de aanwezige eNoses op het industrieterrein Overzicht van de aanwezige eNoses op het industrieterrein

Geur

Geur is een lastig begrip, omdat het subjectief is. De één vindt een bepaalde geur heerlijk en de ander niet. Er zijn stoffen die je niet of nauwelijks kunt ruiken en die tevens gevaarlijk voor de gezondheid zijn. Een bekend voorbeeld zijn riolen en mestsilo's waarin al veel mensen zijn omgekomen omdat het giftige H2 S (rotte eierenlucht) te laat werd opgemerkt. Aan de andere kant zijn er stoffen die totaal ongevaarlijk zijn maar geen prettige lucht met zich meedragen. Bijvoorbeeld de geuren die bij productie van suiker vrijkomen, zijn typisch maar ongevaarlijk. Met de subjectiviteit en het gevaar is de geurproblematiek in de kern benoemd.

Steun

ATM heeft deze techniek omarmt en steunt ook het opzetten van een meetnet op het industrieterrein. ATM heeft zelf vier eNose's aangeschaft, waarvan er drie op het eigen terrein zijn geplaatst. Een draagbaar exemplaar is aanwezig op de afdeling Compliance. De titel van dit artikel kan met ja worden beantwoord, indien de spreuk 'meten is weten, maar weet wat je meet' geen geweld wordt aangedaan. Een krachtig hulpmiddel, maar wel een waar je je verstand bij moet blijven gebruiken.

Dit artikel is gepubliceerd in editie 14 van relatiemagazine ATMosfeer, uitgifte in februari 2015.