13.07.2016

Nanoröhrchen als Giftsensor

Nachweisgerät für den Einmalgebrauch misst Giftdosis und meldet sie an das Smartphone weiter.

Der Nachweis eines chemischen Gefahr­stoffs kann Leben retten. Amerikanische Wissen­schaftler haben ein chemisches Dosimeter mit integrierter Nahfeld-Kommuni­kation entwickelt, das einfach von einem Smartphone ausgelesen werden kann. Dieses ver­besserte CARD-Modell ist aus wenigen Komponenten aufgebaut, batterie­los und kann von Menschen, die in Kontakt mit Gefahrstoffen kommen könnten, während des Arbeitstages getragen und anschließend entsorgt werden.

Abb.: Funktionsschema des GIftsensors aus Kohlenstoffnanoröhrchen. (Bild: Wiley-VCH)

Kern des Dosimeters ist ein chemischer Wider­stand aus einwandigen Kohlen­stoffnano­röhren, die durch Leit­fähigkeits­änderung auf den Gefahr­stoff reagieren. Die Ziel­substanz wird an den Nano­röhren zersetzt, was deren elektrischen Widerstand ändert. Je mehr Analyt vorhanden ist, desto stärker ist die gemessene Modulation des Wider­stands. Als Zielsubstanz für ihr CARD-System (chemically actuated resonant devices) wählten Rong Zhu und Joseph M. Azzarelli aus der Arbeits­gruppe von Timothy M. Swager am Massa­chusetts Institute of Technology den Cholinesterase­inhibitor DCP, der mit Nerven­giften verwandt ist und häufig stell­vertretend für Gefahrstoffe eingesetzt wird.

In diesem CARD-System ist dieser Chemosensor in einem gängigen Nahfeld-Kommuni­kations-Modul (NFC-Tag) integriert, der die Rohdaten aus dem chemischen Wider­stand in Radio­frequenz­resonanzen überführt. Diese Radio­frequenz wird dann von einem Smartphone in unmittel­barer Nähe abgelesen. Die große Verbesserung war es nun, den chemischen Wider­stand im Stromkreis etwas anders anzuordnen, um Verzerrungen bei der Messung zu vermeiden. „Für die p-CARD wird das chemo­resistive Material einfach zwischen den Anschluss­drähten des inte­grierten Strom­kreises abgeschieden“, erklären die Forscher. Diese parallele Anordnung bewirkt, dass das Messsignal kontinuier­lich und verzerrungs­frei ausgegeben wird, was die Voraussetzung für eine echte quantitative Messung ist.

Die zweite signi­fikante Verbes­serung betrifft den DCP-Nachweis durch die Kohlen­stoffnano­röhren selbst. Mischt man eine ionische Flüssig­keit mit den chemoresistiven Nanoröhren, so steigert sich deren Empfind­lichkeit noch einmal erheblich. Um das System auf seine Praxis­tauglichkeit zu prüfen, wurde die die verbesserte CARD-Marke einen fiktiven Arbeitstag unter wechselnden, geringen Mengen von DCP getestet. Wie geplant, zeigte das Smartphone beim Über­schreiten einer einge­stellten Schwelle „Rot“ an – so, wie es ein zuverlässiges, empfindliches, aber eben auch preiswertes und einfach zu bedienendes chemisches Dosimeter es in der Praxis tun soll.

Ang. Chemie / JOL

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