Für den Nachweis von Schadstoffen und Verunreinigungen in Flüssigkeiten, wie etwa im Trinkwasser oder in Säften, sind bisher aufwändige Laboruntersuchungen notwendig. Ein mobiles Messsystem, das vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS mit der Firma CapSenze entwickelt wurde, kann biochemische Substanzen schnell und zuverlässig auswerten.

Mobiles Analysesystem für Spurenstoffe in Flüssigkeiten

Pestizide in Obst und Gemüse, Hormone und Antibiotika in Fleisch, Mykotoxine in Lebens- und Futtermitteln oder Bakterien und Keime im Trinkwasser – belastete oder verunreinigte Nahrungsmittel sind ein hohes Gesundheitsrisiko. Bisher sind für den Nachweis von Schadstoffen und Verunreinigungen in Lebensmitteln und Flüssigkeiten in vielen Fällen aufwändige und teure Laboruntersuchungen erforderlich. Ein neues Bioanalysesystem der schwedischen Firma CapSenze mit einer optimierten Auswerteelektronik des Fraunhofer IIS ermöglicht innerhalb von Minuten eine Auswertung von Flüssigkeiten mit biochemischen Sensoren. Das System kann auf die Größe einer Streichholzschachtel reduziert werden und ist daher für den mobilen Einsatz geeignet.

Das Bioanalysesystem kann beispielsweise für Vor-Ort-Analysen zum Nachweis von Verunreinigungen in Wasser und allen wasserlöslichen Substanzen verwendet werden. Es kann außerdem für mobile Lebensmittelkontrollen, zur Überwachung von Nahrungsmittelketten sowie für Dopingkontrollen eingesetzt werden.

Sechs verschiedene Substanzen gleichzeitig messbar

Das Biosensorsystem liefert Messdaten im Piko- bis Femtomol-Bereich (10-12-10-15 Mol pro Liter) von bis zu sechs verschiedenen Sensoren, damit können sechs verschiedene Substanzen gleichzeitig gemessen werden. Je nach nachzuweisender Substanz können unterschiedliche Sensorschichten verwendet werden, um unerwünschte Spurenstoffe in Nahrungs- oder Futtermitteln zu detektieren. Das Messsystem, das aus einem Biosensor mit extrem hoher Empfindlichkeit besteht, kann je nach Sensorschicht biochemische Inhaltsstoffe, wie Hormone, Pestizide oder Mykotoxine auch in sehr niedriger Konzentration nachweisen.

Grundlage dieses Sensors sind molekulargeprägte Polymere, sogenannte MIPs (Molecular Imprinted Polymers). Mit diesen molekulargeprägten Polymeren können die Goldelektroden des Bioanalysesystems für die jeweilige Zielsubstanz beschichtet werden. Dabei bilden die Polymere eine Struktur, in der die zu detektierenden Moleküle wie Fußabdrücke in Gips eingeprägt sind. Treffen die passenden Moleküle auf diese Oberfläche, werden sie gebunden und ändern die elektrischen Eigenschaften der Elektrode. Dadurch reagiert der Sensor ausschließlich auf die gewählte Substanz und kann diese sogar im Mikromol-Bereich nachweisen.

Mobile Anwendungen mit hoher Messgenauigkeit

Für die Auswertung dieses Biosensors hat das Fraunhofer IIS eine integrierte kapazitive Auswerteelektronik in Form eines ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) entwickelt, mit dem eine Messauflösung von unter 0,1% erreicht wird. Ein weiterer Vorteil des ASICs ist ein geringerer Stromverbrauch im Mikrowatt-Bereich sowie durch die Integration eine Baugröße des Messsystems von wenigen Zentimetern. Dadurch ist das Messssystem auch für mobile Anwendungen geeignet und ermöglicht einen Schnelltest vor Ort bei gleicher Qualität, aber wesentlich kostengünstiger als im Labor. Parallel dazu hat CapSenze einen neuen miniaturisierten Energiewandler mit sechs Messelektroden entwickelt. Anders als bei herkömmlichen Analysesystemen können damit sechs verschiedene Substanzen gleichzeitig analysiert werden. Durch die automatische Steuerung aller Funktionen kann das System autonom arbeiten und benötigt kein geschultes Personal.

Weitere Informationen finden sich auf der Website des Frauenhofer ISS unter https://www.iis.fraunhofer.de