Projekt 08198/01

Förderschwerpunkt Holz: Untersuchung von Holzschadstoffen mit dem Chemosensorsystem QMB 6

Projektdurchführung

HKR Sensorsysteme GmbH
Frauenstr. 22
80469 München

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In einem Ringversuchs sollten mit verschiedenen analytischen Verfahren Holzschadstoffe untersucht werden. HKR Sensorsysteme GmbH hat ein Prototypengerät entwickelt, mit dem Gerüche qualifiziert und quantifiziert werden können. Dieses Gerät soll olfaktometrische Meßmethoden im Bereich der Qualitätskontrolle von Duftstoffen und Lebensmitteln, im Umweltschutz und bei der Prozeßtechnik ergänzen bzw. ersetzen.
In diesem Teilprojekt sollte an ausgewählten kontaminierten Holzproben untersucht werden, ob das Chemosensorsystem QMB 6 für eine schnelle Analyse (Screening) dieser Hölzer geeignet ist.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenSeit einigen Jahren wird die Problematik der Selektivität von Chemosensoren nach dem Vorbild des Geruchssinnes in der Natur bearbeitet. Eine Reihe von nicht-selektiven, aber unterschiedlichen Sensoren liefert Signalmuster, die für die einzelnen Substanzen cha-rakteristisch sind und nach den Methoden der Mustererkennung ausgewertet werden können (Elektronische Nase). Mit dieser Technik kann eine Identifikation und Konzentrationsbestimmung von flüchtigen und gasförmigen Substanzen und mehrkomponentigen Gasgemischen mit nichtselektiven Sensoren durchgeführt werden.
Das Herzstück des Sensorsystems bildet ein Chemosensorarray auf der Basis von Schwingquarzen. Auf einem gemeinsamen Quarzsubstrat sind mehrere Sensorelemente integriert. Diese Sensoren sind mit unterschiedlichen gassensitiven Materialien beschichtet und reagieren daher ebenfalls unterschiedlich auf die zu untersuchenden Gase und Dämpfe. Insgesamt sind 6 verschiedene Sensoren in einer thermostatisierten Meßkammer eingebaut.
Die Untersuchungen der verschiedenen Holzproben (Headspace-Analyse) wurden mit unterschiedlichen Sensorbeschichtungen durchgeführt. Die Parameter für die Probenahme wurden im Sinne einer Empfindlichkeitsmaximierung und einer guten Diskriminierung der Hölzer bezüglich der Schadstoffe optimiert. Der Headspace der Holzproben wurde mittels GCMS analysiert.


Ergebnisse und Diskussion

Die vorliegende Meßmethode beurteilt die Hölzer anhand der flüchtigen Substanzen, die sich im Dampfraum über diesen Hölzern befinden. Unterschiedliche Sensoren reagieren auf diesen Dampfraum mit einem Signalmuster, das charakteristisch für die untersuchte Holzprobe ist. Die Ansprechzeit der Sensoren liegt im Sekundenbereich, so daß die Methode im Prinzip für ein schnelles Screening der Hölzer geeignet ist.

Da es sich bei den anorganischen Wirkstoffen in der Regel um nichtflüchtige Salze handelt, konnte die vorliegende Methode auf organische Wirkstoffen angewandt werden. Auch hier handelt es sich in der Regel jedoch um schwerflüchtige Verbindungen, die erst bei hohen Temperaturen in den Dampfraum gelangen.

Um Matrixeffekte abschätzen zu können, wurden zunächst Meßreihen mit unbehandelten Hölzern durchgeführt. Dabei wurden sowohl Frisch- als auch Althölzer mit Holzfehlern untersucht, um eine realistische Einschätzung der Matrixeffekte zu bekommen. Die Proben stammten zudem aus verschiedenen Stämmen. Bei den Frischholzproben mit Holzfehlern wurden nun deutliche Streuungen in der Matrix Holz registriert. Besonders große Schwankungen wurden bei frischen Kieferhölzern gemessen, während die Varianz bei Fichte deutlich geringer ausfiel. Bei den Althölzern handelte es sich um bei der BFH abgelagerte Proben, die alle älter als 15 Jahre waren. Die Lagerung erfolgte ständig im Normklima (20°C, 65% r.F.). Die Oberflächenqualität wurde bewußt unterschiedlich gewählt. Die Streuung der Sensorsignale bei den Althölzern war sehr klein.

Die mit unterschiedlichen Wirkstoffen behandelten Althölzer zeigten ein weitgehend homogenes Sensorverhalten bei Probentemperaturen bis zu 90°C. Oberhalb einer Probentemperatur von ca. 100°C wurde eine signifikante Abweichung der Sensorsignale bei den kontaminierten Holzproben gegenüber den unbehandelten Holzproben festgestellt. Aus den Signalmaxima, die unmittelbar nach der Gasbeaufschlagung auftreten, läßt sich ein wirkstoffspezifisches Signalmuster gewinnen.

GCMS Analysen zeigen, daß unter den gewählten Probenahmebedingungen die organischen Wirkstoffe im Headspace der Holzproben in Konzentrationen nachweisbar sind, die von den im QMB 6 System eingesetzten Sensoren detektiert werden können.


Fazit

Die Untersuchungen haben die prinzipielle Eignung der vorliegenden chemometrischen Methode für ein schnelles Screening von Althölzern bestätigt. Mit Hilfe eines Chemosensorarrays auf der Basis von Schwingquarzen konnten verschiedene Hölzer anhand ihres Dampfraumes diskriminiert werden. Auf Grundlage der Ergebnisse der Projektvorphase wird die Weiterentwicklung des Laborgerätes zu einem portablen Prototypengerät für ein schnelles Screening der Althölzer vorgeschlagen.