Elektronische Zunge

Elektronische Zunge
Englischer Begriff	electronic tongue (e-tongue)
Fachgebiet	Sensorik, Analytische Chemie, Chemometrie
Prinzip	Sensorarray (querempfindlich) + rechnergestützte Mustererkennung
Typische Sensorik	elektrochemisch (potentiometrisch, voltammetrisch, impedimetrisch), optisch; teils Biosensor-Arrays
Anwendungen	Lebensmittel- und Prozesskontrolle; Pharma (z. B. Bitterkeitsbewertung); Wasser- und Umweltmonitoring
Verwandte Systeme	Elektronische Nase

Eine elektronische Zunge (englisch electronic tongue, kurz e-tongue) ist ein technisches Messsystem zur Untersuchung von Flüssigkeiten. Sie dient dazu, komplex zusammengesetzte Proben – etwa Getränke, Lebensmittel oder Wasser – anhand ihres Gesamteindrucks zu unterscheiden, ähnlich wie der menschliche Geschmackssinn nicht einzelne Moleküle isoliert wahrnimmt, sondern ein Gesamtbild erzeugt.

Im Gegensatz zur klassischen chemischen Analytik, die gezielt einzelne Inhaltsstoffe bestimmt, basiert die elektronische Zunge auf der gleichzeitigen Auswertung mehrerer Sensorsignale. Dabei entstehen charakteristische Antwortmuster, die mithilfe statistischer und mathematischer Verfahren analysiert werden. Ziel ist es, Proben zu vergleichen, zu klassifizieren oder bestimmte Eigenschaften modellbasiert abzuschätzen.<ref name="Vlasov2005" /><ref name="Tibaduiza2024" />

Geschichte

Das Konzept der elektronischen Zunge wurde Anfang der 2000er Jahre systematisch beschrieben und in einer Darstellung der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) zusammengefasst. Dort wird sie als Kombination aus querempfindlicher Sensorik und rechnergestützter Mustererkennung definiert.<ref name="Vlasov2005" />

Parallel entwickelte sich insbesondere in Japan ein Ansatz, der als „Taste Sensor“ bekannt wurde. Dieser nutzt spezielle lipid- und polymerbasierte Membranen und ist stärker auf geschmacksähnliche Skalen (z. B. Bitterkeit oder Umami) ausgerichtet als auf die Identifikation einzelner chemischer Substanzen.<ref name="TaharaToko2013" />

Als technologische Vorläufer gelten ionensensitive Festkörpersensoren. Ein häufig zitierter Meilenstein ist die Entwicklung des ionensensitiven Feldeffekttransistors (ISFET), der erstmals eine direkte Kopplung zwischen chemischer Umgebung und elektrischem Signal ermöglichte.<ref name="Bergveld1970" />

Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip elektronischer Zungen unterscheidet sich grundlegend von klassischen Einzelsensoren. Statt hochselektiver Messungen werden mehrere unterschiedlich reagierende Sensoren gleichzeitig eingesetzt, um ein umfassendes Signalbild der Probe zu erfassen.

Die einzelnen Sensoren sind bewusst nur gering selektiv, reagieren also auf mehrere gelöste Stoffe zugleich. Diese sogenannte Querempfindlichkeit ist erwünscht, da erst die Kombination aller Sensorsignale ein charakteristisches Muster ergibt. Die analytische Information entsteht durch rechnergestützte Auswertung, häufig unter Einsatz chemometrischer Verfahren.<ref name="Vlasov2005" /><ref name="Tibaduiza2024" />

Typische Systemkomponenten sind:

• ein Sensorarray (eine Gruppe mehrerer unterschiedlich reagierender Sensoren),
• eine Einheit zur Signalaufnahme und Digitalisierung,
• eine Datenvorverarbeitung (z. B. Normalisierung oder Driftkorrektur),
• eine multivariate Datenanalyse (statistische Auswertung mehrerer Messgrößen gleichzeitig).<ref name="Vlasov2005" /><ref name="TanXu2020" />

Sensorarten

Elektronische Zungen lassen sich nach dem physikalisch-chemischen Messprinzip der verwendeten Sensoren einteilen. In Übersichtsarbeiten werden insbesondere elektrochemische Systeme beschrieben, daneben existieren optische Ansätze sowie Kombinationen mit biologischen Erkennungselementen.<ref name="Tibaduiza2024" /><ref name="TanXu2020" />

Elektrochemische Sensoren

• Potentiometrische Systeme messen elektrische Potentialdifferenzen, etwa mit ionenselektiven Elektroden oder Feldeffekt-Sensoren wie ISFET oder ChemFET.<ref name="Vlasov2005" /><ref name="Tibaduiza2024" />
• Voltammetrische Systeme erfassen Strom-Spannungs-Kurven und nutzen unterschiedliche Elektrodenmaterialien, um charakteristische elektrochemische Fingerabdrücke zu erzeugen.<ref name="Vlasov2005" /><ref name="TanXu2020" />
• Weitere Varianten basieren auf Impedanz- oder Leitfähigkeitsmessungen.<ref name="Tibaduiza2024" />

Taste Sensor (global selektiver Ansatz)

Der sogenannte Taste Sensor nach Toko verwendet lipid- und polymerbasierte Membranen und ist darauf ausgelegt, reproduzierbare Skalen für geschmacksähnliche Eigenschaften zu liefern. Diese Systeme werden insbesondere zur Bewertung von Bitterkeit, Umami oder Nachgeschmack eingesetzt.<ref name="TaharaToko2013" />

Datenanalyse

Da elektronische Zungen viele Messsignale gleichzeitig erzeugen, spielt die Datenanalyse eine zentrale Rolle. Häufig kommen Verfahren zur Dimensionsreduktion wie die Hauptkomponentenanalyse (PCA) zum Einsatz, um Daten zu visualisieren und Muster sichtbar zu machen.

Für gezielte Fragestellungen werden überwachte Methoden genutzt, etwa Regressions- oder Klassifikationsverfahren wie PLS-Regression, Support-Vector-Machines oder neuronale Netze. Übersichtsarbeiten betonen die Bedeutung robuster Validierung, Driftkontrolle und Standardisierung, da Sensoralterung und Matrixeffekte die Übertragbarkeit von Modellen begrenzen können.<ref name="TanXu2020" /><ref name="Grassi2023" />

Anwendungen

Elektronische Zungen werden vor allem dort eingesetzt, wo komplexe Flüssigkeiten ganzheitlich bewertet werden sollen und eine schnelle oder vergleichende Analyse im Vordergrund steht.<ref name="TanXu2020" /><ref name="Grassi2023" />

Lebensmittel- und Prozessanalytik

In der Lebensmittelindustrie werden elektronische Zungen unter anderem zur Qualitätskontrolle, Produktdifferenzierung und Bewertung von Frische oder Lagerstabilität eingesetzt.<ref name="TanXu2020" /><ref name="Grassi2023" /> Populärwissenschaftliche Darstellungen beschrieben frühe Demonstrationen, etwa zur Unterscheidung von Getränken; solche Berichte ersetzen jedoch keine wissenschaftliche Validierung.<ref name="Spiegel2002" />

Wasser- und Umweltanalytik

Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Klassifikation und Überwachung von Wasser- und Abwassermatrizen, beispielsweise zur Trend- oder Ereigniserkennung. In spezialisierten Studien wurden auch elektronische Zungen zur Differenzierung von Belastungsszenarien, etwa durch Pestizide, untersucht.<ref name="CetoDelValle2022" /><ref name="Water2023" />

Grenzen und Herausforderungen

Zu den häufig genannten Herausforderungen zählen die Vergleichbarkeit unterschiedlicher Messsysteme, Sensoralterung und Drift, Matrixeffekte sowie die Abhängigkeit der Ergebnisse von Probenvorbereitung und Validierungsstrategie.<ref name="TanXu2020" /><ref name="Tibaduiza2024" /><ref name="Grassi2023" />

Siehe auch

• Elektronische Nase
• Chemometrie
• Mustererkennung
• Biosensor

Weblinks

• Vorlage:Webarchiv/Wartung/Today In: nano. 25. Februar 2002.

Einzelnachweise

<references> <ref name="Vlasov2005">Vlasov, Yu.; Legin, A.; Rudnitskaya, A.; Di Natale, C.; D’Amico, A.: Nonspecific sensor arrays (“electronic tongue”) for chemical analysis of liquids (IUPAC Technical Report). In: Pure and Applied Chemistry. Band 77, Nr. 11, 2005, S. 1965–1983, doi:10.1351/pac200577111965. </ref>

<ref name="TaharaToko2013">Tahara, Yusuke; Toko, Kiyoshi: Electronic Tongues—A Review. In: IEEE Sensors Journal. Band 13, Nr. 8, 2013, S. 3001–3011, doi:10.1109/JSEN.2013.2263125. </ref>

<ref name="Tibaduiza2024">Tibaduiza, Diego; Anaya, Maribel; Gómez, Johan; Sarmiento, Juan; Perez, Maria; Lara, Cristhian; Ruiz, Johan; Osorio, Nicolas; Rodriguez, Katerin; Hernandez, Isaac; Sanchez, Carlos: Electronic Tongues and Noses: A General Overview. In: Biosensors. Band 14, Nr. 4, 2024, S. 190, doi:10.3390/bios14040190. </ref>

<ref name="TanXu2020">Tan, Juzhong; Xu, Jie: Applications of electronic nose (e-nose) and electronic tongue (e-tongue) in food quality-related properties determination: A review. In: Artificial Intelligence in Agriculture. Band 4, 2020, S. 104–115, doi:10.1016/j.aiia.2020.06.003. </ref>

<ref name="Grassi2023">Grassi, Silvia; Benedetti, Simona; Casiraghi, Ernestina; Buratti, Susanna: E-sensing systems for shelf life evaluation: A review on applications to fresh food of animal origin. In: Food Packaging and Shelf Life. Band 40, 2023, S. 101221, doi:10.1016/j.fpsl.2023.101221. </ref>

<ref name="CetoDelValle2022">Cetó, Xavier; del Valle, Manel: Electronic tongue applications for wastewater and soil analysis. In: iScience. Band 25, 2022, S. 104304, doi:10.1016/j.isci.2022.104304. </ref>

<ref name="Water2023">Carrillo Gómez, Jeniffer Katerine; Nieto Puentes, Yuliana Alexandra; Cárdenas Niño, Dayan Diomedes; Durán Acevedo, Cristhian Manuel: Detection of Pesticides in Water through an Electronic Tongue and Data Processing Methods. In: Water. Band 15, Nr. 4, 2023, S. 624, doi:10.3390/w15040624. </ref>

<ref name="Spiegel2002">Forscher konstruieren elektronische Zunge. In: Der Spiegel. Abgerufen am 12. Januar 2026. </ref>

<ref name="Bergveld1970">Bergveld, Piet: Development of an ion-sensitive solid-state device for neurophysiological measurements. In: IEEE Transactions on Biomedical Engineering. BME-17, 1970, S. 70–71. </ref> </references>