Oberflächenreaktionen von halbleitenden Schichten auf Reaktionsprodukte der Maillard Reaktion

Abstract

In dieser Arbeit werden volatile Reaktionsprodukte, welche bei der Maillard-Reaktion von erhitztem Schweinefleisch entstehen, mit Hilfe von Halbleitergassensoren im spannungszyklischen Betrieb selektiv nachgewiesen. Als sensitive Schichten für die Gassensoren werden folgende Materialien verwendet: Zinndioxid, mesoporöses Zinndioxid, Wolframtrioxid und mesoporöses Wolframtrioxid. Bei den mesoporösen Materialien handelt es sich hier um Metalloxide, welche im Templatverfahren hergestellt worden sind. Diese Metalloxide besitzen Porendurchmesser von 2 bis 50 nm und eine spezifische Oberfläche von 50 bis 150 m²/g. In einem ersten Schritt werden mit HRGC/MS SOMMSA-Untersuchungen (High Resolution Gas Chromatography/Masspectrometry Selective Odorant Measurement by Sensor Array) die verwendeten Halbleitergassensoren auf die einzelnen volatilen Komponenten des erhitzten Schweinefleischs charakterisiert. Beim Erhitzen von Schweinefleisch entstehen, abhängig vom Bräunungsgrad des Fleisches, unter anderem Pyrazine und Aldehyde. Auf Substanzen dieser beiden Klassen zeigen die untersuchten Sensoren deutliche und zum Teil selektive Reaktionen. In weiteren Schritten werden die Sensoren spannungszyklisch gemessen mit variierender Luftfeuchtigkeit und Sensortemperatur bei Angebot von verschiedenen Konzentrationen von Methylpyrazin, 2,3,5-Trimethylpyrazin und Octanal. Hierbei werden erstmals auch mesoporöse Materialien mit einem spannungszyklischen Betrieb untersucht. Beim Anlegen einer Spannung an die sensitive Schicht eines Gassensors (Polarisation) werden Ladungsträger im Inneren und auf der Oberfläche des Halbleiters zu einem Drift angeregt und es bildet sich eine Potentialdifferenz aus. Beim Andocken von reduzierenden Gasen auf der Oberfläche wird diese wieder verringert. Durch die spezifischen Energien der Grenzflächenzustände dieser Gase und die Unterschiede in den Zeitkonstanten der Ladungsträgerdrifts entsteht eine Selektivität der Gassensoren im Zeitbereich. Zur Polarisation wurde für eine definierte Zeit eine Spannung an die sensitive Schicht des Gassensors angelegt. Anschließend wurden die Kontakte an der sensitiven Schicht des Gassensors für eine definierte Zeit wieder kurzgeschlossen (Relaxation). Diese Polarisations- und Relaxationsphasen wurden zyklisch wiederholt. Im Verlauf der Zyklen wurde in definierten Zeitabständen der Leitwert der sensitiven Schicht bestimmt. Während der Relaxation wurde hierzu nur sehr kurz (ca. 500 µs) eine niedrige Messspannung von 0,5 V an die sensitive Schicht angelegt, um diese nicht wieder in den Polaritätszustand zu versetzten. Die Ergebnisse dieser Messungen zeigten sehr unterschiedliche charakteristische Leitwertverläufe, die unter anderem abhängig sind von der Art der Sensorschicht und dem umgebenen Gas. Im letzten Schritt wurden die Ergebnisse der spannungszyklischen Messungen mit der PCA (Principal Components Analysis) behandelt. Die Ergebnisse hieraus zeigten bei einigen Sensoren eine gute Auftrennung aller drei untersuchten Substanzen. Dies zeigt, dass man durch diese Multisignalgenerierung und der anschließenden PCA eine hohe Selektivitätssteigerung von Halbleitergassensoren erreichen kann. Durch die selektive Detektion von Aldehyden und Pyrazinen könnte so eine anpassungsfähige Bräunungsgraderkennung realisiert werden.