Multiple Sensoren

Das "Molekulare Prägen" ("Molecular Imprinting") gestattet die Synthese hochselektiver Erkennungsstellen auf Kunststoffbasis.

Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser: Spätestens nach dem Melamin-Skandal 2008 wissen KonsumentInnen, dass "gepanschte" Lebensmittel tödlich sein können. Um in Zukunft Lebensmittelkontrollen schnell und unkompliziert durchführen zu können, ist der Chemiker Peter Lieberzeit im Rahmen des EU-Projekts "Photosens" an der Entwicklung eines wegwerfbaren, massenproduzierbaren Sensorchips beteiligt: Dieser soll unter anderem potenziell gefährliche Substanzen in Nahrungsmitteln erkennen. Neben der Lebensmittelsicherheit wird der neue Sensor auch zur Überwachung der Luftqualität sowie im pharmazeutischen Bereich anwendbar sein.

Für DiabetikerInnen sind sie mittlerweile nicht mehr aus dem Alltag wegzudenken: Als klassische Biosensoren zeichnen sich die Blutzuckermessgeräte durch eine Erkennungsschicht - sprich Sensoroberfläche - aus, die rein biologischen Ursprungs ist. "Im Unterschied dazu stellen wir die Erkennungsschicht für den Chemosensor, den wir im EU-Projekt 'Photosens' entwickeln, selbst her", erklärt Peter Lieberzeit vom Institut für Analytische Chemie und weist damit auf das Hauptziel seiner Forschungsarbeit hin: "Wir nehmen das Konzept aus der Natur, implementieren es in ein künstliches System und sichern uns dadurch die technologischen Vorteile."

Denn biologische Systeme sind auf lange Zeit nicht stabil. Genau das ist aber eine Hauptanforderung an den neuen Sensor. Bis jetzt gibt es wenige kommerziell erhältliche chemische Sensoren: Einer der bekanntesten ist die Lambdasonde im Auto, die im Verbrennungsabgas den jeweiligen Restsauerstoffgehalt misst.

Molekularer "Gipsabdruck"

Der Sensor soll anhand kleiner Messfühler eine bestimmte chemische Information - in der Luft, in Lebensmitteln oder Medikamenten - in ein elektronisches Signal umwandeln und somit messbar machen. Um die gefährlichen Substanzen - die meist in sehr geringen Konzentrationen vorhanden sind - herauszufiltern, müssen die ChemikerInnen ausgeklügelte Systeme auf Kunststoffbasis entwickeln.

Eine Erkennungsmöglichkeit bietet das "molekulare Prägen" ("Molecular Imprinting"): Mit einem Monomer-Gemisch - sprich Kunststoff - wird ein "Gipsabdruck" von bestimmten Molekülen, Biospezies oder Mikroorganismen gemacht und mit einem Polymernetzwerk umschlossen.

Massenproduktion

Diese "Vorlage" wird anschließend aus dem vernetzten Polymer herausgewaschen: Zurück bleibt ein Hohlraum, der die gesuchten Moleküle einlagern und somit erkennen kann. "Wir haben zwar Erfahrung mit molekular geprägten Erkennungsmaterialien, aber es ist derzeit nicht möglich, diese in einem Rolldruckverfahren zu vervielfältigen, weil die Lösungen dabei chemisch reagieren würden", schildert Lieberzeit die größte Schwierigkeit. Die Druckbarkeit der Sensoren - vom Bauteil bis zur Erkennungsschicht - auf Folienträger ist aber die Voraussetzung für eine günstige (Massen-) Produktion, eine weitere zentrale Anforderung an das Endprodukt. "Unsere Aufgabe in diesem groß angelegten Projekt liegt in der Entwicklung solch druckbarer Sensorschichten", so der Chemiker.

Von der Natur lernen

Neben der Herausforderung, die passende druckbare Oberflächenbeschichtung zu finden, werden die ChemikerInnen vor allem für die Oberflächenchemie viel Know-how aufbieten müssen: "Aufgrund unserer Erfahrung haben wir uns für den Polymeransatz entschieden, da sich dieser Kunststoff in großen Mengen synthetisieren lässt und sehr robust ist. Außerdem können Polymere aus kommerziell erhältlichen Ausgangsprodukten hergestellt werden, was weniger Kosten bedeutet."

Schlussendlich soll eine "fast biologische" Erkennungsschicht entstehen. "Wenn wir es schaffen, für bestimmte Polymerarten mehr oder weniger standardisierte Synthese- bzw. Herstellungsmethoden zu entwickeln, nähern wir uns dem biologischen System und dessen Multispezifität", freut sich Lieberzeit. Denn biologische Systeme reagieren oft nicht nur auf eine, sondern auf hunderte Substanzen in spezifischer Weise.

Gestreckte Lebensmittel

Kostengünstig und schnell: Vor allem beim In- und Export von Lebensmitteln werden die neuen Sensoren zu einer effektiveren Kontrolle führen, da keine spezielle Infrastruktur mehr nötig ist. "Bestimmte Substanzen, die in Lebensmittel gemischt werden, um diese zu verfälschen und somit Qualitätstests zu umgehen, können mit solchen Wegwerf-Sensoren schnell und unkompliziert erkannt werden", betont Lieberzeit, der damit auf einen Fall hinweist, der vor drei Jahren publik wurde: Damals wurde Milchpulver - z.B. in Babynahrung - mit Melamin "gestreckt", um den Proteinwert künstlich zu erhöhen und die Standard-Proteintests zu manipulieren.

"Im pharmazeutischen Bereich hingegen wird der Sensor in den Produktionsanlagen direkt zur Anwendung kommen, um die Reinheit pharmazeutisch-technologischer Prozesse zu sichern", ergänzt der Wissenschafter.

Das dreijährige EU-Projekt "Photosens" läuft von 1. Februar 2011 bis 31. Jänner 2014. Projektpartner sind: die Universität Wien mit Projektkoordinator Univ.-Prof. Mag. Dr. Peter Lieberzeit vom Institut für Analytische Chemie, die University of Southampton (England), Momentive AG (Deutschland), TNO (Niederlande), Nanocomp (Finnland), 3D AG (Schweiz), Philips (Niederlande) und Renishaw Diagnostics (Großbritannien). Als Projektleiter fungiert VTT Technical Research Centre of Finland.

(Quelle: Forschungsnewsletter der Universität Wien)