13.07.2016 - Massachusetts Institute of Technology

Einfache Dosismessung von Gefahrstoffen

Chemosensor für den Einmalgebrauch misst die Dosis 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.

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 wählten die Autoren der Studie, 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 sogenannten CARD-System ist dieser Chemosensor in einem gängigen Nahfeld-Kommunikations-Tag (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, wie die Wissenschaftler erklären, 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 Autoren. 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.

Massachusetts Institute of Technology

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