DE10013992A1 - Analysesystem- und Verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Analysensystem und -verfahren, insbesondere zur Bestimmung des Gasverbrauchs, der Gasproduktion aber auch der Temperatur, des pH-Wertes von Materie, insbesondere des Sauerstoffbedarfs und der Kohlenstoffdioxidproduktion von organischer Materie.

Grundlage dieser Analysensysteme sind optische Bio- und Chemosensoren.

Unter optischen Bio- und Chemosensoren, sog. Optoden, versteht man Meßanordnungen zur kontinuierlichen Erfassung physiochemischer Parameter von Stoffen durch die Messung von Änderung der Absorption, Transmission, Reflexion, Fluoreszenz oder Chemolumineszenz. Es können aber auch Parameter wie z. B. Raman-Streuung, Brechungsindex oder Lichtpolarisation als Meßgrößen herangezogen werden. Dabei werden zwei Gruppen von Optoden unterschieden. Zur ersten Gruppe gehören jene, welche die intrinsischen (der Probe eigenen) optischen Parameter erfassen. Der zweiten Gruppe sind Sensoren zuzuordnen, die ein Signal über eine extrinsische (vom Analyt hervorgerufene) spektrale Änderung eines immobilisierten (befestigten) Indikators erzeugen.

Diese Indikatoren können auf verschiedenen Basismaterialien wie Kunststoff-, Alufolien, Glas, Lichtleitern, Papier, usw. immobilisiert (aufgebracht) werden.

Zu einem optischen Sensorsystem gehören neben dem Basismaterial (Kunststoffolie, Glasfaser, Glas, Alufolie, Papier) und dem darauf befindlichen Farbstoff die Anregungslichtquelle (Halogenlampe, Leuchtdiode, Leuchtstofflampe, Tageslicht) und der Detektor (Auge, Photo­ detektor, Videokamera) und die Steuer- und Auswerteeinheit.

Durch die Verknüpfung von chemischen, biologischen, optischen und elektronischen Kompo­ nenten ist eine schnelle und hochselektive Erfassung auch geringer Stoffkonzentrationen auf neuartige Weise möglich.

Derartige Analysensysteme können in einem weiten Bereichen eingesetzt werden.

Eine Anwendung ist die Frischeüberwachung von leicht verderblichen Lebensmitteln wie z. B. Fisch und Fischerei-Erzeugnisse, Muscheln, Pilze, Fleisch- und Wurstwaren, Wild, Geflügel, Flüssigei, Milch- und Milchprodukte, Obst- und Gemüseerzeugnisse, Fruchtzusätze, Getränke, Schokolade und Schokoladeerzeugnisse aber auch leicht verderbliche pharmazeutische und kosmetische Produkte.

Sind Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen, Schimmelpilze einmal etwa wegen mangelnder Hygiene im Lebensmittel, gehen sie auch bei minus 18 Grad nur in Dämmerschlaf über und bei jeder Unterbrechung der Kühlkette beginnt der Verderb der Lebensmittel. Der Verderb der Lebensmittel äußert sich durch die Veränderung von Geruch, Farbe, Geschmack, Konsistenz, Textur, durch die Bildung eines Schimmelrasens auf dem Produkt, oder durch bombieren der Verpackung sowie die Bildung von Toxinen.

Mit einem Überwachungs-System mit optischen Bio- und Chemosensoren zur Frischeüber­ wachung können leicht verderbliche Produkte auf Verderb überwacht werden.

Das Überwachungsprinzip beruht darauf, daß Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen oder Schimmelpilze bei der Zersetzung von leicht verderblichen Produkten Sauerstoff verbrauchen oder Kohlendioxid und Toxine bilden. Diese Tatsache kann zur Überwachung von Lebensmitteln aber auch von Roh- und Zusatzstoffen herangezogen werden um die Produkte zu überwachen.

Hierzu befindet sich ein Sensor z. B. innerhalb der luftdichten Verpackung in Kontakt mit der umgebenden Atmosphäre des leicht verderblichen Produktes. Wird das Produkt durch Bakterien zersetzt, veratmen diese den Sauerstoff oder bilden Kohlendioxid oder Toxine. Wird z. B. der Sauerstoff in der Verpackung verbraucht oder CO₂ gebildet ist das ein Zeichen für den fortschreitenden Verderb des Produktes. Der Verderb der Produkte kann durch speziell immobilisierte Sensoren die bestimmte Stoffe detektieren überwacht werden. Andere Ausge­ staltungen sind möglich.

Ein Meßprinzip der optischen Frischeüberwachung ist die Fluoreszenzlöschung eines Fluoro­ phors durch Sauerstoff. Die Anwesenheit der löschenden Sauerstoffmoleküle verringert dabei z. B. die Fluoreszenzintensität sowie deren Abklingzeit. Ein besonders guter Fluorophor ist Tris. Er läßt sich im blauen Bereich des Spektrums bei 470 nm anregen und besitzt sein Fluoreszenz­ maximum bei 590 nm im orangeroten Bereich. Andere Mittel sind möglich.

Wird dieser Fluorophor durch bestimmte Techniken (mechanischer Einschluß, elektrostatische Immobilisierung, kovalente Bindung) auf einem Basismeterial immobilisiert und eingebettet, so stellt dieses einen leistungsfähigen Sensor (Optode) für Sauerstoff dar. Er arbeitet sowohl in der Gasphase als auch in wäßrigen Medien. Das Optodensignal (z. B. Fluoreszenz) kann durch die Wandung der Verpackung ausgelesen werden. Dieses ist eine unabdingbare Voraussetzung beim Einsatz in der Lebensmittelüberwachung, da die Verpackung bei der Messung nicht geöffnet oder beschädigt werden darf.

Ein derartiges System zur Frischeüberwachung besteht z. B. aus der luftdichten Verpackung, dem Sensor, der Anregungslichtquelle, dem Detektor und der Steuer- und Auswerteeinheit.

Als Verpackungen finden z. B. Container, Fässer, Kanister, Flaschen, Gläser, Becher, Dosen, Folienverpackungen, Verbundverpackungen, Vakuumverpackungen, Beutel, Taschen usw. Verwendung.

Die Sensoren können in verschiedenen Formen ausgebildet werden: z. B. als Flächensensor, als Etikett mit integriertem Sensor, als Mehrparametersensor (O₂, CO₂, Temperatur, pH, Enzyme, Glucose, Penicillin, Harnstoff). Der Sensor kann auch direkt an der Innenseite auf das Verpac­ kungsmaterial immobilisiert (aufgebracht) sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Sensor in eine Halterung einzusetzen, die in die Wandung des Behälters wie Container, Kanister, Fässer montiert wird. Die Form der dreidimansionalen Sensorausführungen bietet die Möglichkeit, daß die Verpackungsfolie von Vakuumverpackungen in Sensornähe nicht direkt am Produkt aufliegt und eine Atmosphäre um den Sensor entstehen kann. Diese dreidimensionale Ausführung kann auch durch Falten oder Pressen von Flächensensoren erfolgen. Verschlüsse von Bechern werden oftmals als Alufolie ausgeführt. Um hier den Sensor anzubringen, ist es möglich, einen Flächensensor über einer Öffung im Aludeckel mit dem Deckel zu verschweissen.

Als Anregungslichtquelle dienen z. B. Tageslicht, Halogenlampen, Leuchtstofflampen oder blaue Leuchtdioden (LED) zur Anregung des Indikators. Da die Entwicklung von blauen Leuchtdioden erst vor wenigen Jahren begonnen hat, ist die Quantenausbeute mit nur 14 mcd im Vergleich zu den sonst üblichen roten oder grünen LED mit ca. 250-3000 mcd noch relativ gering. Aus diesem Grund kann die Fluoreszenz nur mit bestimmten Detektoren erfaßt werden.

Als Detektor kann z. B. das menschliche Auge dienen, aber auch technische Komponenten wie Photodetektoren, Photomultiplier und Videokameras.

Anregungslichtquelle, Detektor, Steuer- und Auswerteeinheit des Frischeüberwachungssystems können getrennt oder in einer Einheit zusammengefaßt sein, tranportabel oder stationär ausgebildet sein, in Form eines Scanners, kombiniert mit Scannern oder als Leuchtstift ausgeführt werden und an EDV-Systeme angebunden werden.

Die Auswertung der Meßsignale kann in verschiedenen Varianten erfolgen: Durch Ja/Nein- Entscheidung (frisch/verdorben), in Stufen (z. B. 1-10) oder kontinuierlich als Überwachungs­ kurve über einen bestimmten Zeitraum. Die Daten können über sog. Datenlogger elektronisch erfaßt, gespeichert und in EDV-Systeme übertragen werden.

Diese Daten können über interne Netze sowie externe Netze wie Internet, Datex-P usw. erfolgen, so daß ein Datenaustausch zwischen allen an der Lebensmittelkette (Kühlkette) Beteiligten wie Nahrungsmittelhersteller, Frächter, Spedition, Großhandel, Einzelhandel, Gastronomie bis zum Verbraucher erfolgen kann.

Denkbar ist auch, daß Daten von Instituten, der Lebensmittelüberwachung, und dgl. weltweit abgerufen werden können und das ganze System in Logistikkonzepte eingebunden wird.

Fig. 1 zeigt ein Analysensystem 11 bestehend aus der luftdichten Verpackung 10 in der das Produkt 6 sowie der Sensor 5 eingeschlossen ist. Beide Teile sind von der gleichen Atmosphäre 9 (Luft, Vakuum, Sauerstoff, Kohlendioxid, Mikroorganismen) umgeben. Durch bestrahlen des Sensors 5 durch das Anregungslicht 4, das in der Anregungslichtquelle 3 erzeugt wird, wird der Sensor 5 zur Fluoreszenz angeregt. Das Fluoreszenzlicht 8 das zurückgestrahlt wird und vom Detektor 7 empfangen wird ist ein Maß für den zu messenden Analyten wie z. B. Sauerstoff, Kohlendioxid usw. Die Steuerung und die Auswertung des Detektorsignals erfolgt in der Steuer- und Auswerteeinheit 1 und wird auf der Anzeige 2 zur Anzeige gebracht.

Claims (2)

1. Indikator zum Bestimmen des Frischegehaltes von Lebensmitteln dadurch gekennzeichnet, daß der Frischegehalt durch einen Gasdetektor bestimmt der über den O₂ oder CO₂-Gehalt gesteuert wird.

2. Indikator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Indikator organische und/oder anorganische Farbindikatoren umfaßt.