Der Bio-Mikrosensor für Apfel und Fisch

Mikrosensoren werden heute schon breit eingesetzt, zum Beispiel um giftige Gase zu erkennen. Auch in kleine Sender-Empf?nger-Systeme, wie den weitverbreiteten RFID-Chips, werden sie eingebaut. Da solche Sensoren jedoch oft umwelt- und gesundheitssch?dliche Edelmetalle enthalten, kommen sie f¨¹r medizinische Anwendungen mit direktem K?rperkontakt oder zum Anbringen an Lebensmitteln nicht infrage. Entsprechend gross ist das Interesse von Forschung und Industrie an Mikrosensoren aus nichttoxischen Materialien, die biologisch abbaubar sind.

Magnesiumdraht in kompostierbarem Polymer

Ein Team von Forschern um Giovanni Salvatore, Postdoktorand an der Professur f¨¹r Elektronik, entwickelte nun gemeinsam mit Wissenschaftlern weiterer ETH-Institute einen solchen Bio-Mikrosensor f¨¹r die Temperaturmessung. Sie berichten davon im Fachmagazin ?Advanced Functional Materials?. F¨¹r den Bio-Mikrosensore schweissten sie einen superfeinen, eng gewundenen Elektrodraht aus Magnesium, Siliziumdioxid und -nitrit in ein kompostierbares Polymer ein. Magnesium ist ein wichtiger Bestandteil unserer Ern?hrung; Siliziumdioxid und -nitrit sind biokompatibel und wasserl?slich. Das verwendete Polymer wird aus Mais- und Kartoffelst?rke produziert und entspricht den EU- und US-Richtlinien f¨¹r den Einsatz im Lebensmittelbereich.

Giovanni Salvatore ist ¨¹berzeugt, dass solchen Bio-Mikrosensoren eine grosse Zukunft bevorsteht. Er macht ein Anwendungsbeispiel: ?Fische aus Japan k?nnten f¨¹r den Transport nach Europa mit winzigen Temperatursensoren versehen werden. Dadurch k?nnte kontinuierlich ¨¹berwacht werden, ob sie ausreichend gek¨¹hlt sind.? Daf¨¹r sind Sensoren n?tig, die an Lebensmitteln angebracht sind und die Gesundheit der Konsumenten nicht gef?hrden. Damit die Sensoren in Containern voller Fisch oder anderer Lebensmittel eingesetzt werden k?nnen, m¨¹ssen sie ausserdem gen¨¹gend klein, robust und flexibel sein.

D¨¹nner als ein Haar

Der von den Forschern entwickelte Sensor ist lediglich 16 Mikrometer dick, also wesentlich d¨¹nner als ein Haar (100 Mikrometer), und er wiegt in einer wenige Millimeter grossen Ausf¨¹hrung nur Bruchteile von einem Milligramm. In seiner jetzigen Form ist der Sensor in einer einprozentigen Salzl?sung in 67 Tagen komplett aufgel?st. Funktionst¨¹chtig bleibt er derzeit einen Tag lang, denn solange dauert es, bis das Wasser durchs Polymer diffundiert ist und es den Draht des Sensors aufgel?st hat. Das w¨¹rde reichen, um beispielsweise eine Fischlieferung von Japan nach Europa zu ¨¹berwachen.

?Die Lebensdauer k?nnen wir durch die Polymerdicke aber relativ einfach anpassen?, sagt Salvatore. Allerdings w?re ein dickerer Sensor weniger flexibel. Der derzeitige d¨¹nne Sensor funktioniert selbst dann noch, wenn er komplett zerkn¨¹llt oder gefaltet wird. Auch Zugkr?ften bis zur Ausdehnung von10 Prozent der Originalgr?sse h?lt er stand.

Zur Energieversorgung haben die Forscher den Sensor mit ultrad¨¹nnen, biologisch abbaubaren Zinkkabeln an eine externe Mikrobatterie gekoppelt. Auf demselben (nicht biologisch abbaubaren) Chip befindet sich ein Mikroprozessor sowie ein Sender, ¨¹ber den die Temperaturdaten mit Bluetooth an einen externen Computer gesendet werden. Dadurch kann die Temperatur eines Produkts ¨¹ber eine Reichweite von zehn bis zwanzig Metern kontinuierlich ¨¹berpr¨¹ft werden.

Biosensoren ab der Rolle

Derzeit ist die Herstellung des Bio-Mikrosensors noch sehr aufwendig und kostspielig. Salvatore ist jedoch ¨¹berzeugt, dass die Sensoren dereinst f¨¹r den Massenmarkt produziert werden k?nnten. Insbesondere, weil die Druckverfahren f¨¹r Elektronik immer besser werden. ?Sind die Biosensoren erst einmal gen¨¹gend g¨¹nstig, k?nnte man sie praktisch ¨¹berall hinkleben?, sagt Salvatore. Lebensmittel k?nnten dadurch Teil des ?Internet der Dinge? werden, ¨¹ber welches die physische Welt mit der digitalen vernetzt wird. Dabei muss es nicht bei Temperaturmessungen bleiben: ?hnliche Mikrosensoren k?nnten Druck, Gasentwicklung oder UV-Strahlung messen.

Salvatore prognostiziert, dass wir in f¨¹nf bis zehn Jahren erste solche biologisch abbaubaren Sensoren im Alltag antreffen werden, je nach Interesse der Industrie. Bis dann w¨¹rden Batterie, Prozessor und Sender wahrscheinlich gleich im Mikrosensor integriert sein, sagt Salvatore. Damit auch diese Komponenten f¨¹r Umwelt und Gesundheit unbedenklich sind, ist noch viel Forschung n?tig. Das Team forscht deshalb aktuell an einem biokompatiblen Energietr?ger f¨¹r seinen Sensor.