Dieses Nanoröhrchen hat den richtigen Riecher für Sauerstoff

Sauerstsoff ist lebensnotwendig und ein reaktionsfreudiger Akteur in vielen chemischen Prozessen. Entsprechend sind Methoden, die Sauerstoff genau messen, f¨¹r zahlreiche industrielle und medizinische Anwendungen relevant: Sie analysieren Abgase von Verbrennungsprozessen, erm?glichen die sauerstofffreie Verarbeitung von Lebensmitteln und Medikamenten, ¨¹berwachen den Sauerstoffgehalt unserer Atemluft oder die S?ttigung des Blutes.

Auch beim Monitoring der Umwelt spielen Sauerstoffanalysen eine immer wichtigere Rolle. ?Allerdings brauchen solche Messungen meist sperrige, stromhungrige und teure Ger?te, die f¨¹r mobile Anwendungen oder Dauereins?tze im Freien kaum geeignet sind?, sagt M¨¢t¨¦ Bezdek, Professor f¨¹r funktionelle Koordinationschemie an der ETH Z¨¹rich. Seine Gruppe verwendet Methoden des molekularen Designs, um neue Sensoren f¨¹r Umweltgase zu finden.

Im Falle von Sauerstoff ist das Bezdeks Gruppe nun gelungen: In einer externe Seite Studie im Fachmagazin Advanced Science haben die Forschenden einen lichtaktivierten Hochleistungssensor pr?sentiert, der Sauerstoff in komplexen Gasgemischen pr?zise detektieren kann und zudem die relevanten Eigenschaften f¨¹r den Feldeinsatz besitzt.

Ein kompromissloser Allrounder

Lionel Wettstein, Doktorand in Bezdeks Gruppe und Erstautor der Studie, erkl?rt: ?Herk?mmliche Messmethoden gehen f¨¹r eine hohe Empfindlichkeit oft Kompromisse ein.? So gibt es Sensoren, die sehr empfindlich auf Sauerstoff reagieren, aber viel Strom verbrauchen und durch Umweltfaktoren wie Feuchtigkeit gest?rt werden. Andere sind gegen¨¹ber St?rgasen tolerant, aber weniger empfindlich und werden rasch verbraucht. ?Station?re Ger?te, aufwendige Proben und hohe Kosten schr?nken die Einsatzm?glichkeiten ebenfalls ein?, so Wettstein.

Der neue Sensor kommt hingegen als praktischer Allrounder daher: Er ist sehr empfindlich, weist Sauerstoff in einer Million anderer Molek¨¹le nach, funktioniert aber auch bei h?heren Konzentrationen zuverl?ssig. Zudem ist er selektiv, toleriert also Feuchtigkeit und andere St?rgase, und hat eine lange Lebensdauer. Schliesslich ist er winzig klein, aber dennoch kosteng¨¹nstig, einfach anwendbar und verbraucht nur wenig Strom.

Das macht den miniaturisierten Sensor interessant f¨¹r tragbare Ger?te und mobile Echtzeitmessungen im Feld ¨C etwa f¨¹r die Analyse von Autoabgasen oder die Fr¨¹herkennung von verdorbenen Lebensmitteln. Der Detektor eignet sich aber auch f¨¹r das kontinuierliche Monitoring von Seen, Fl¨¹ssen und B?den durch grossfl?chig verteilte Sensornetzwerke. ?Der Sauerstoffgehalt in diesen ?kosystemen ist ein wichtiger Indikator f¨¹r die ?kologische Gesundheit?, weiss Wettstein.

Mit Nanor?hrchen Molek¨¹le messen

Um die gew¨¹nschten Eigenschaften zu erhalten, hat Bezdeks Gruppe den Sensor gezielt aus molekularen Komponenten konzipiert. Er geh?rt zur Klasse der Chemiresistoren: Das sind winzige elektrische Schaltungen mit einem aktiven Sensormaterial, das direkt mit dem zu analysierenden Molek¨¹l wechselwirkt und dabei seinen elektrischen Widerstand ?ndert. ?Der grosse Vorteil ist, dass sich dieses Signal ganz einfach messen l?sst?, h?lt Bezdek fest.

Als Basis f¨¹r das Sensormaterial w?hlten die Forschenden einen Verbundstoff aus Titandioxid und Kohlenstoff-Nanor?hrchen. Titandioxid kann als Chemiresistor dienen, hat aber den Nachteil, dass dies nur bei sehr hohen Temperaturen funktioniert. ?Aus diesem Grund haben wir Kohlenstoff-Nanor?hrchen in den Verbundstoff eingebracht?, berichtet Bezdek.

Die Nanor?hrchen bilden die energiesparende Plattform ¨C sie sorgen daf¨¹r, dass die Sensorreaktion bei Zimmertemperatur abl?uft und ohne Erhitzung auskommt. Um schliesslich zu erreichen, dass das Sensormaterial Sauerstoff zuverl?ssig von anderen Gasen unterscheiden kann, liess sich das Team von Farbstoffsolarzellen inspirieren: Bei diesen Solarzellen sammeln spezielle Farbstoffmolek¨¹le, Fotosensibilisatoren genannt, Lichtenergie ein und wandeln sie in elektrischen Strom um.

Dieses Funktionsprinzip haben die Forschenden auf ihren Sensor ¨¹bertragen: In Gegenwart von gr¨¹nem Licht ¨¹bertr?gt der Fotosensibilisator Elektronen auf den Verbundstoff aus Titandioxid und Nanor?hrchen. Das aktiviert das Material und macht es spezifisch f¨¹r Sauerstoff empfindlich. ?Im Gegensatz zu anderen Gasen behindert Sauerstoff den Ladungstransfer im aktivierten Sensor, wodurch sich dessen Widerstand ver?ndert ¨C das ist die Grundlage der Sensorreaktion?, res¨¹miert Wettstein.

Vom Labor ins Feld

Die Forschenden haben ihre Sensortechnologie bereits zum Patent angemeldet und sind nun auf der Suche nach Industriepartnern, um die Technologie weiterzuentwickeln. Langlebigen und zuverl?ssigen Sensoren, die Sauerstoff spezifisch in Gasgemischen messen, wird ein j?hrliches Marktvolumen von rund 1,4 Milliarden US-Dollar zugeschrieben.

Das Team arbeitet nun daran, ihr Sensorkonzept ¨¹ber Sauerstoff hinaus auf andere Umweltgase anzuwenden, die ?kologisch eine wichtige Rolle spielen. ?Unser Sensormaterial ist modular aufgebaut ¨C wir wollen die chemische Zusammensetzung der Komponenten so ver?ndern, dass auch andere Zielmolek¨¹le nachgewiesen werden k?nnen?, so Bezdek.

Ein aktuelles Thema seiner Gruppe ist der Nachweis von Schadstoffen auf Stickstoffbasis, die in der Landwirtschaft zu ?berd¨¹ngung f¨¹hren und B?den sowie Gew?sser belasten. ?Um den ?kologischen Fussabdruck des Agrarsektors zu verringern, brauchen wir Sensoren, die eine pr?zise D¨¹ngung von Feldern erm?glichen?, gibt Bezdek zu bedenken.