Zuverlässiger Nachweis hochtoxischer Gase direkt im Einsatz
Biohybride Materialien aus Siliciumdioxid-Partikeln und selektiven Peptiden sollen den Vor-Ort-Nachweis per Handgerät ermöglichen
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Ob bei Chemieunfällen, Altlasten oder dem Einsatz chemischer Kampfstoffe: Gefährliche Gase müssen schnell und zuverlässig erkannt werden. Was bisher nur aufwendig oder zu ungenau möglich ist, soll durch spezifisch designte Materialien in Zukunft einfach und zuverlässig vor Ort durchgeführt werden. Im Forschungsprojekt ProtecKD entwickeln das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC und seine Partner ein neuartiges Sensorsystem auf Basis biohybrider Materialien. Damit sollen Einsatzkräfte Gefahrenlagen künftig schneller und präziser bewerten können. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert.
ProtecKD – die Idee: Biohybride Sensormaterialien als Lab-on-a-Chip System in einem trag-baren Fluoreszenz-Handgerät zur frühzeitigen Detektion chemischer Kampf- und Gefahrstoffe.
© Projekt ProtecKD
Im Einsatz gegen gefährliche Gase und Kampfstoffe wie Sarin, S-Lost oder Chlorpikrin müssen Einsatzkräfte diese Gefahrstoffe schnell und sicher erkennen können. Bereits geringste Konzentrationen können schwere gesundheitliche Schäden verursachen oder tödlich wirken. Ihr schneller, einfacher und zuverlässiger Nachweis ist daher entscheidend für die Sicherheit von Einsatzkräften und Bevölkerung. Bisher verfügbare Verfahren für die Analyse im Einsatz vor Ort sind oft ungenau oder unpraktikabel. Präzisere und zuverlässigere Verfahren sind aufwendig oder nur in Speziallaboren möglich. Eine zuverlässige Bewertung der Gefahr während des Einsatzes ist deshalb schwierig.
Biohybride Sensormaterialien für den schnellen Vor-Ort-Nachweis
Im Forschungsprojekt ProtecKD arbeiten die Partner an einem kleinen mobilen Handgerät, das die hochtoxischen Gase mit neuartigen biohybriden Materialien direkt und schnell nachweisen kann. Neu am ProtecKD-Konzept ist die Kombination von biologischen Erkennungseinheiten mit anorganischen Nanopartikeln, die stabile, hochfunktionale Mikropartikel ergeben. Sie vereinen die Eigenschaften nanoskaliger Materialien mit einer deutlich einfacheren Handhabung. Das Fraunhofer ISC bringt hier seine langjährige Expertise bei der Entwicklung von Partikeln ein, deren Oberflächen gezielt funktionalisiert, das heißt für bestimmte Aufgaben angepasst werden.
Teamarbeit für mehr Sicherheit
Im Projektteam arbeiten vier Forschungseinrichtungen und Unternehmen eng zusammen: Projektkoordinator Fraunhofer ISC, JPT Peptide Technologies, das Wehrwissenschaftliche Institut für Schutztechnologien – ABC-Schutz (WIS) und die Noxoon GmbH.
Im Fraunhofer ISC werden Trägerpartikel aus Siliciumdioxid synthetisiert, einem auch in der Natur häufig vorkommenden Mineral – z. B. in Sand, und mit speziellen Eiweißmolekülen, sogenannten Peptiden kombiniert. Diese Eiweiße werden auf der speziell funktionalisierten Partikeloberfläche fixiert und reagieren gezielt auf bestimmte Gase mit Fluoreszenz, sie senden Licht aus. Damit wird ein biohybrides Material erzeugt. Für die Synthese dieser selektiven Peptide sorgt Projektpartner JPT. Da verschiedene Peptide eingesetzt werden, die spezifisch auf unterschiedliche Gase reagieren, lassen sich so mehrere Sensorfelder auf einem miniaturisierten Analysesystem im Chipformat (Lab-on-a-Chip) herstellen. Projektpartner Noxoon ist für die Entwicklung und Herstellung des Detektionsgeräts verantwortlich, in dem alle Komponenten kombiniert werden. Die Charakterisierung der synthetisierten Komponenten und die Tests mit verschiedenen Kampf- und Gefahrstoffen unter realitätsnahen Bedingungen werden bei Projektpartner WIS durchgeführt.
Ziel: Einfache Handhabung und Nutzung
Der biohybride Sensorchip wird in das Detektionsgerät eingesetzt. Die optische Messung sowie die automatische Auswertung erfolgen direkt im Detektionsgerät und sollen Einsatzkräften innerhalb kurzer Zeit belastbare Ergebnisse liefern. Empfindliche Detektoren erfassen die Fluoreszenzänderungen, die Signale werden mit selbstlernenden Algorithmen ausgewertet und zeigen dem Nutzer unmittelbar die detektierte Gasart und zugehörige Warninformationen an. Damit soll das handliche Detektionsgerät eine schnelle und zuverlässige Unterstützung im mobilen Einsatz werden.
Ein wesentlicher Vorteil des Konzepts besteht darin, dass die chemisch gezielt designten Peptide sehr selektiv und präzise auf bestimmte Gase und Kampfstoffe ansprechen. Aufgrund der optimierten Sensorgeometrie des Lab-on-a-Chip Systems können diese mit sehr hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden. So sollen schon geringste Mengen zuverlässig detektiert und bewertet werden können.
Ein weiterer Vorteil ist die durchgängige Digitalisierung. Alle Material- und Messdaten werden in maschinenlesbarer Form erfasst und gespeichert. ProtecKD ist an die Initiative „Material digital“ des BMFTR angekoppelt. Für die lückenlose Digitalisierung der Materialdaten sorgt das Fraunhofer ISC mit seinem „Material digital“-Know-how.
Besserer Schutz für Einsatzkräfte und Bevölkerung
Die schnelle und verlässliche Erkennung von hochtoxischen Chemikalien kann die Reaktionszeiten erheblich verkürzen. Einsatzkräfte können Schutzmaßnahmen gezielter einleiten, Gefahrenlagen fundierter bewerten und unnötige Sperrungen oder Evakuierungen vermeiden. So lassen sich Personal- und Materialressourcen effizienter einsetzen.
Auch auf andere Anwendungsfelder übertragbar
Was für die extremen Anforderungen des Einsatzes gegen gefährliche Gase und Kampfstoffe funktioniert, kann auch für andere Einsatzgebiete weiterentwickelt werden. Denkbar sind für das Projektkonsortium beispielsweise Umweltüberwachung, industrielle Sicherheit bei Einsatz und Lagerung von Industriechemikalien, pharmazeutischen Wirkstoffen oder Explosivstoffen. ProtecKD könnte so zur Stärkung der internationalen Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands im Bereich der Sicherheitstechnologien beitragen.
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