Der richtige Riecher

Dieser Text ist der Print-Ausgabe 01/2010 von Technologie Review entnommen. Das Heft kann, genauso wie die aktuelle Ausgabe, hier online portokostenfrei bestellt werden.

Elektronische Nasen spüren Sprengstoffe auf, finden versteckte Drogen oder gefährliche Gase. Doch an ihre biologischen Vorbilder reichen sie noch nicht heran.

Die Gepäckkontrolle eines Flughafens. Verschwitzte Wäsche, Rasierwasser, Tabak – eine wahre Dunstwolke quillt aus der Reisetasche. Ein Luftzug, und der wilde Molekülmix wird über Millionen hochempfindliche Sensoren geleitet. Die Teilchen docken an jene an, die wie ein Schloss zum Schlüssel passen, und lösen dort Impulse aus. An die Schaltzentrale weitergeleitet, werden sie dort als charakteristische Muster erkannt. Sind winzige Spuren des Sprengstoffs TNT dabei, geht der Alarm los.

Gäbe es diesen Hightech-Detektor nicht schon, er müsste erfunden werden. Einziger Haken: Er ist Teil einer feuchten Hundenase. Und das ist unpraktisch. Tiere eignen sich nicht zu routinierter Dauerkontrolle, sind teuer, von der Tagesform abhängig, und ihr Spürsinn kann ermüden.

Was also liegt näher, als künstliche Nasen zu entwickeln, die jederzeit dauerhaft und günstig einsetzbar sind? Bereits seit 20 Jahren werden solche Substitute intensiv erforscht und entwickelt. Darunter auch in diversen EU-Projekten wie dem Exzellenznetzwerk Gospel für chemische Gassensorik. Elektronische Nasen können heute nicht nur Sprengstoff und Drogen aufspüren, sondern auch Lecks in Gasleitungen oder gammelndes Fleisch. Sie überwachen auch industrielle Produktionsprozesse wie eine Kaffeeröstung. Selbst bestimmte Krankheiten lassen sich erschnüffeln, wenn veränderte Stoffwechselprozesse charakteristische Ausdünstungen hervorrufen.

"Allerdings können wir elektronische Nasen nur für ganz bestimmte Riechaufgaben konstruieren", sagt Udo Weimar vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie in Tübingen, der Gospel bis zu dessen Auslaufen Ende 2008 koordiniert hat. "Die große Bandbreite der natürlichen Nasen werden wir in den nächsten Jahrzehnten nicht erreichen." In speziellen Nischen erzielen die Gassensoren allerdings Qualitäten, die sich durchaus mit einer Hundenase messen können.

Für den Einsatz am Flughafen hat der Luftfahrtkonzern EADS ein sogenanntes Ionen-Mobilitätsspektrometer entwickelt. Laserstrahlen ionisieren in dem angesaugten Molekülmix gezielt die TNT-Moleküle, indem sie aus ihnen Elektronen herausschlagen. Das dann positiv geladene Molekül wird in einem elektrischen Feld beschleunigt, dadurch von anderen Molekülen getrennt und auf einem Detektor registriert. Ein Prototyp hat seine Funktionstauglichkeit bereits bewiesen: Nur ein Molekül unter tausend Milliarden Teilchen reichte für ein verwertbares Signal aus. Das ist rund dreißigmal feiner als eine Hundenase. Nun wird das nicht einmal schuhkartongroße Gerät für die industrielle Fertigung optimiert.

Vor allem Licht wird gern zum "Riechen" genutzt. Mit Spektrometern lassen sich Moleküle auch in sehr geringen Mengen genau identifizieren. Allerdings sind viele dieser Geräte riesig und teuer und eignen sich deshalb nur für Labore. Die zunehmende Miniaturisierung von Lasern und Elektronik ermöglicht es zwar inzwischen, auch handlichere Geräte zu bauen. "Doch mit einer Nase haben sie – obwohl sie gern so genannt werden – eigentlich nichts zu tun", sagt Jürgen Wöllenstein, der am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik Gassensoren entwickelt.

Was eine Nase zur Nase macht, ist mehr als ein gut funktionierender Gassensor. Mit "nur" 347 verschiedenen Geruchsrezeptoren kann der Mensch über zehntausend verschiedene Duftnoten erkennen. Die Komplexität eines Kaffeeduftes erschließt sich erst aus deren Zusammenspiel. Welche Rezeptoren wie stark angeregt werden, führt im Gehirn zu charakteristischen Signalmustern, die dann als Kaffeeduft gelernt und abgespeichert werden. Diesem Prinzip eifern viele künstliche Nasen nach. Bisher sind Forscher in der Lage, bis zu einige Dutzend verschiedene Sensoren zu verknüpfen und deren Signale per Computer mittels mathematischer Mustererkennung auszuwerten. Auf Basis neuronaler Netze können die elektronischen Nasen regelrecht "lernen", komplexe Gerüche zu erkennen.

Die Sensoren, die dabei zum Einsatz kommen, sind sehr vielfältig. Sie nutzen aus, dass sich physikalische Eigenschaften ändern, wenn Gasmoleküle an ihre Oberfläche andocken. Ein Schwingquarz etwa verlangsamt seine Frequenz, wenn er eine Last trägt. Ein weiterer Klassiker sind halbleitende Metalloxide, zum Beispiel Zinn- oder Titanoxid. Wenn Gasmoleküle auf ihre obere Sauerstoffschicht gelangen, ändert sich die Leitfähigkeit des Materials. Die Empfindlichkeit liegt bei 10 ppm, also zehn Teilchen aus einer Million, und lässt sich durch Temperaturen im Bereich von 200 bis 400 Grad Celsius steuern. Verschiedene Katalysatormoleküle an der Oberfläche erhöhen die Sensitivität für unterschiedliche Gase. Ähnlich funktionieren auch Sensoren aus leitenden Polymeren, die sogar bei Raumtemperatur arbeiten und daher keine zusätzliche Energie brauchen.

Metalloxidoberflächen bewähren sich schon im täglichen Einsatz. Zum Beispiel als Teil der Steuerung für die Autolüftung. Sie schließt automatisch, wenn etwa bei Tunneldurchfahrten in der Außenluft zu viel Kohlenmonoxid oder Stickoxid enthalten ist. Wie bei den meisten Sensoren geschieht das Löschen der Information von selbst, weil sich die Teilchen nach einer Weile wieder von der Oberfläche lösen. Allerdings bleiben manche Moleküle auch haften und kontaminieren den Sensor. Und natürliche Umgebungsbedingungen wie schwankender Sauerstoffgehalt der Luft oder die variierende Luftfeuchte beeinflussen die Leitfähigkeit zusätzlich.

Zur Annäherung an das natürliche Vorbild gibt es auf Sensorebene unterschiedliche Strategien. Das Spektrum der detektierbaren Substanzen muss erhöht werden – zum Beispiel durch neue Oberflächenbeschichtungen. Außerdem gibt es einen Trend zur Miniaturisierung, um die Sensitivität zu erhöhen und dem Schlüssel-Schloss-Prinzip näher zu kommen. Dafür greifen die Forscher in den Nanobaukasten, etwa zu Nanoröhrchen, die als wiesenähnliche Oberflächenstruktur auf Molekülfang gehen sollen, jeder Halm für eine eigene Spezies. Oder Nanosaiten, wie es Physiker um Jörg Kotthaus von der LMU München im Frühjahr in "Nature" publizierten. Diese wie Nanodrähte auf eine Oberfläche aufgebrachten Strukturen ändern nach Art eines Schwingquarzes ihre Frequenz schon dann, wenn sich nur ein einziges Molekül auf ihnen absetzt.

Inwieweit sich diese jeweiligen Ansätze eignen, in ein "System Nase" integriert und massenhaft gefertigt zu werden, muss sich jedoch erst noch zeigen. Die eigentliche Zukunft der elektronischen Nasen, darin sind sich Wöllenstein und Weimar einig, liegt womöglich in der Biologie selbst. Sie bietet vielfältige Rezeptoren, die in ihrer Selektivität und ihrer Wechselwirkung mit den Gasmolekülen technisch bisher kaum nachzuahmen sind und die mit den klassischen physikalischen Sensoren kombiniert werden können.

"Das hat viel mehr Potenzial als die Nanotubes", meint Wöllenstein. Udo Weimar berichtet beispielsweise von einem Gospel-Projekt, in dem es Gruppen aus England, Italien und Deutschland gelang, bestimmte Proteine aus dem Urin von Ratten zu isolieren und auf einen Schwingquarz aufzubringen. Diese Proteine sind verantwortlich dafür, dass die Urinspur einer Ratte auch nach Wochen noch von den Artgenossen wahrgenommen werden kann und sie auf diese Weise zum Beispiel vor vergifteten Arealen warnen. Die Eiweiße dienten quasi als Verstärker. "Auf diese Weise hat sich die Selektivität erhöht und die Nachweisgrenze um einen Faktor hundert herabgesetzt", berichtet Weimar, ausgehend von den sonst für solche Effekte genutzten Kunststoffbeschichtungen. Das heißt, von zehn Teilchen pro einer Million steigt die Selektivität auf hundert Teilchen pro Milliarde.

Es gibt auch Ansätze, biologische Riechrezeptoren zu nutzen. Am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz gelang es einem Team um Eva-Kathrin Sinner, Riechrezeptoren von Ratten so in eine künstliche Lipidmembran einzubetten, dass sie funktionieren. Derzeit arbeiten sie daran, Membranen aus Kunststoffen zu entwickeln und einen mikroelektronischen Auslesemechanismus, der das biochemische Signal in elektronische Bits umwandelt. Außerdem sollen die Rezeptoren in der künstlichen Umgebung stabilisiert werden. Das ist in der Tat eine der wesentlichen Herausforderungen bei der Integration biologischer Elemente. "Bisher funktionieren sie nur für einige Wochen", sagt Udo Weimar. Damit eignen sie sich nur für Schnelltests und noch nicht für eine Dauerüberwachung. (bsc)