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05.09.2014, 12:38 Uhr | 0 |

Empindliche Biosensoren Kieselalgen erkennen Umweltgifte 100 Mal genauer

100 Mal empfindlicher werden optische Sensoren, wenn man marktübliche Kristalle durch Kieselalgen ersetzt. Sie erkennen dann schon ein Billionstel Gramm eines Umweltgiftes, fanden Forscher aus den USA heraus. Die Biosensoren lassen sich zudem zu einem Bruchteil des Preises produzieren.

Forscher arbeiten an der Oregon State University mit der sogenannten Raman-Spektroskopie
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Forscher arbeiten an der Oregon State University mit der sogenannten Raman-Spektroskopie: Sie geben eine flüssige Probe auf den Sensor, richten einen Laserstrahl auf die Mikroalge und messen die Reflektionen, die charakteristisch für bestimmte Umweltgifte sind.

Foto: Oregon State University

Optische Sensoren, die in der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln, zur Überwachung von Gewässern und zur Messung des Blutzuckergehalts zum Einsatz kommen, sind teuer, wenn sie hoch empfindlich sein sollen. Das liegt an den eingesetzten optisch aktiven Kristallen. US-Forscher haben diese jetzt durch Kieselalgen ersetzt, die sie mit Nanopartikeln aus Gold oder Silber angereichert haben.

Das senke die Materialkosten auf gerade mal ein Prozent, sagt Alan Wang, Professor für Elektrotechnik an der Oregon State University. Kieselalgen hätten genau die richtige Struktur, mehr noch: Sie ermöglichen die Herstellung von Sensoren, die 100 Mal empfindlicher sind als die, die heute auf dem Markt erhältlich sind.

Sensoren erkennen Billionstel Gramm eines Inhaltsstoffes

Im Test haben die Forscher einen Tropfen Blut oder Wasser, der im Verdacht stand, verschmutzt zu sein, auf den Sensor gegeben. Dann richteten sie einen sanften Laserstrahl auf die Oberfläche der Mikroalge. Teilweise wurde das Licht verschluckt, teilweise reflektiert, oft in einer anderen Farbe. Es entstanden Muster, die charakteristisch sind für bestimmte Inhaltsstoffe wie Blutzucker oder Umweltgifte.

Die Sensoren erkennen bereits ein Billionstel Gramm eines Inhaltsstoffes, der sich in einem tausendstel Liter Lösung befindet. Die Messmethode heißt Raman-Spektroskopie, benannt nach einem gleichnamigen indischen Physiker. Sie ermöglicht es, bei einer einzigen Messung mehrere unterschiedliche Inhaltsstoffe nachzuweisen.

Die Wahl fiel auf eine elliptische Zelle

Ein Student hatte Wang auf die Idee gebracht, Kieselsäurealgen zu Sensoren umzubauen. „Instinktiv wusste ich, dass es funktioniert“, erinnert er sich, als er eine mikroskopische Aufnahme der Alge sah, auf der die Struktur zu erkennen war. Er tat sich zusammen mit Greg Rorrer, Professor für Bioingenieurswesen an der Oregon State University. Sie sind die ersten, die Kieselalgen auf ihre Eignung als Biosensoren geprüft haben – mit Erfolg.

Die beiden Professoren suchten aus der Vielzahl von Algen eine mit elliptischer Form aus. Ihre Struktur passte genau zu der Wellenlänge des Laserlichts, mit dem Wang arbeitete. Rorrers Studenten züchteten sie mit Hilfe von Sonnenlicht und einem speziellen Mineraliengemisch. Dann wurden sie mit Nanopartikeln versehen.

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Von Wolfgang Kempkens
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