Befreit durchatmen
Mit einem Gas-Sensor lassen sich drohende Asthmaanfälle bereits in einem sehr frühen Stadium erkennen.
Asthma ist eine chronische entzündliche Erkrankung der Atemwege. Betroffene Patienten haben immer wieder Atemnot, die in extremen Fällen zum Tode führen kann. In Europa leiden zwischen 5 und 15 Prozent der Bevölkerung an dieser Krankheit. Nehmen die Betroffenen rechtzeitig entzündungshemmende Medikamente ein, können sie Asthmaanfälle verhindern. Wissenschaftler von Siemens haben nun einen Sensor entwickelt, der aufgrund seiner hohen Messgenauigkeit bereits sehr früh erkennt, dass sich die Atemwege anfangen zu entzünden. Der Sensor lässt sich prinzipiell so stark miniaturisieren, dass er in ein Handy-großes Gerät passt. Patienten könnten ihn also bei sich tragen und entzündungshemmende Medikamente rechtzeitig und gezielt einnehmen.
Noch ist der neue Asthmasensor etwas sperrig, die Siemens-Forscher streben eine Handy-ähnliche Größe an. (Bildquelle: Siemens)
Als Signalstoff für die Messung dient Stickstoffmonoxid, das im Atem Betroffener einen Anteil von 30 bis 100 ppb (parts per billion, 10−9) hat, während es bei gesunden Menschen nur 5 bis 20 ppb erreicht. Die in heutigen Gas-Sensoren verbreiteten Technologien wie Metalloxidhalbleiter oder elektrochemische Zellen weisen allerdings keine ausreichende Selektivität auf, um so geringe NO-Mengen nachweisen zu können, oder erfordern einen komplexen Aufbau des Gerätes, was einer Miniaturisierung im Weg steht. Die Forscher von Siemens verwenden daher eine Feldeffekttransistor-Struktur, bei der sie für die Gate-Elektrode ein geeignetes Sensormaterial auswählen, das sich als dünne Schicht fertigen lässt. Organische Farbstoffe wie Phtalocynanine eignen sich dafür, weil sich Stickstoffdioxid sehr selektiv an sie anlagert. Bevor das Gas durch die Transistorstruktur strömt, sorgen die Forscher mit einer Katalysatorschicht dafür, dass das NO zu NO2 oxidiert wird. Durch das angelagerte NO2 verändert sich an der Gate-Elektrode die Austrittsarbeit der Elektronen um 70 bis 80 meV, was sich wiederum als Änderung des Transistorstroms bemerkbar macht.
Die Messgenauigkeit des vorhandenen Prototyps für NO beziffern die Wissenschaftler auf etwa ein ppb – ein Wert, der bislang nur mit deutlich größeren und teureren Geräten erreichbar war, die sich nicht für den Heimgebrauch eignen. Der Sensor kann dadurch bereits einen Tag vor einem akuten Asthmaanfall die steigende NO-Konzentration erkennen. Ihren Prototyp haben die Forscher mit synthetischem und echtem Atem erprobt, nun soll ein Feldtest folgen.
Michael Vogel
