29. März 2021

Elektronische Nase erschnüffelt freie Radikale

Kooperation arbeitet an Nanosensoren zur Erfassung atmosphärischer Schadstoffe

Ein internationales Projekt, an dem Forscher*innen des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) beteiligt sind, erhält 3,2 Millionen Euro aus dem europäischen Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizont 2020“, um eine kostengünstige Methode zur Messung von bestimmten Luftschadstoffen zu entwickeln. Das Ziel des Teams aus Industrie und Wissenschaft sind elektrische Sensoren zur Erkennung schädlicher Partikel in der Atmosphäre. Luftverschmutzung gilt als eine wesentliche Ursache von jährlich über 400.000 frühzeitigen Todesfällen in der Europäischen Union. Ihre genaue Messung stellt die Forschung aber immer noch vor große Herausforderungen.


Obwohl die negativen Auswirkungen bestimmter Luftschadstoffe, sogenannter freier Radikale, auf die Gesundheit schon lange bekannt sind, ist ihr Nachweis und ihre Messung nach wie vor technisch sehr aufwendig. „Diese freien Radikale sind reaktive Verbindungen, die chemische Vorgänge in der Atmosphäre vorantreiben und dadurch den Klimawandel, die Bildung von saurem Regen oder die Entstehung von photochemischem Smog beeinflussen – also allesamt schädliche Prozesse für die menschliche Gesundheit und die Umwelt“, erklärt Prof. Justin Holmes vom irischen University College Cork (UCC), der das Projekt leitet. Die Gesundheit wird dabei sowohl in Innenräumen als auch im Freien beeinträchtigt.

Mit dem Team, das sich aus Forscher*innen des UCC, des HZDR, der britischen University of York, der griechischen Nationalen Technischen Universität Athen und der bulgarischen Firma Smartcom sowie der UCC Academy zusammensetzt und von einem externen Berater des Luftqualitätsunternehmens Airlabs aus Großbritannien unterstützt wird, will Holmes kostengünstige High-Tech-Instrumente entwickeln, die die schädlichen atmosphärischen Radikale messen können. Die Technologie soll anschließend in Flugzeugen, Schiffen und anderen Plattformen zur Überwachung der Luftqualität eingesetzt werden.


Empfindliche Sensoren mit hoher Selektivität

„Bisher gibt es nur eine kleine Anzahl von Forschungsgruppen, die in der Lage sind, solche Tests an wenigen Orten rund um den Globus durchzuführen. Dabei kommen komplexe spektroskopische Methoden unter Verwendung großer, teurer und umständlich zu bedienender Geräte zum Einsatz. Das schränkt unser Wissen über die chemischen Prozesse in der Atmosphäre und damit unsere Fähigkeit, Luftqualität und Klimaveränderungen zu kontrollieren, erheblich ein“, umreißt Dr. Yordan Georgiev vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR die Motivation hinter dem Projekt, das die Koordinatoren „RADICAL“ getauft haben.

Das internationale Team will nun diesen Flaschenhals aufbrechen, indem es neue Methoden zum Nachweis schädlicher Radikale entwickelt: „Wir wollen eine Technologie kreieren, die relativ einfach verwirklicht und weltweit eingesetzt werden kann. Dazu arbeiten wir mit Partnern aus der Industrie zusammen, um die Entwicklung von hochpräzisen, massenproduktionstauglichen Sensoren voranzutreiben, so dass wir letztlich flächendeckend Echtzeitdaten über die Verteilung und Übertragung von freien Radikalen in der Atmosphäre liefern können“, fasst Georgiev das Ziel zusammen. Die beteiligten Forscher*innen des HZDR sind für die Herstellung der Sensoren, die auf Silizium-Nanodrähten basieren und für die elektrische Detektion von freien Radikalen in der Atmosphäre eingesetzt werden sollen, verantwortlich. Diese Drähte sind gewissermaßen die Rezeptoren einer elektronischen Nase.


Radikale weltweit in Echtzeit erfassen

Der Sensormechanismus fußt im Wesentlichen auf der Wechselwirkung elektrisch geladener Partikel des Zielmoleküls mit einer Nanodrahtoberfläche: Die geladenen Moleküle verändern die elektrische Leitfähigkeit des Nanodrahtes. Auf diese Weise werden die Wechselwirkungen der Moleküle mit den Nanodrähten direkt in leicht nachweisbare elektrische Signale umgewandelt. Die Sensoren zeichnen sich durch eine sehr hohe Empfindlichkeit aus. Ihre Selektivität stellen die Wissenschaftler*innen über die Oberflächenfunktionalisierung des Nanodrahtes sicher. Dafür verankern sie eine Schicht von Molekülen auf der Nanodraht-Oberfläche, die ausschließlich die Zielmoleküle bindet.

Prof. John Wenger, Direktor des Forschungszentrums für Atmosphärenchemie am UCC und Partner des Projekts, ist überzeugt, dass diese Technologie weit über den aktuellen Stand der Technik hinausgeht und an allen operativen Luftqualitäts- und Wetterstationen der Welt eingesetzt werden könnte, was die Möglichkeiten zur Überwachung und Kontrolle der Luftqualität erheblich verbessern und genauere Klimavorhersagen sowie eine bessere Lebensqualität für die Mitmenschen ermöglichen würde.
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Foto ©G. Mannaerts, CC BY-SA 4.0 Download: Smogwolke über der Normandie.

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