Biosensor im Behälter: Berührungslose Lebensmittelkontrolle

Ein innen im Behälter angebrachter Biosensor analysiert Milch laufend und zeigt umgehend an, wenn das Lebensmittel mit Bakterien kontaminiert ist.

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(Bild: Bro Crock/Shutterstock.com)

Von
  • Dusan Zivadinovic

Um die Gefahr von Magen-Darm-Infekten zu minimieren, zieht die Industrie Nahrungsmittel aus dem Verkehr, wenn Laboranalysen Kontaminationen mit bakteriellen Erregern aufdecken. Aber bis die üblichen Methoden Ergebnisse liefern, vergehen Stunden bis Tage. Auch wird längst nicht jeder verdächtige Behälter untersucht, sondern im Zweifel entsorgt. Gleiches widerfährt einem angezweifelten Nahrungsmittel beim Verbraucher, der schlicht kein Labor hat.

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Forschende an den kanadischen Universitäten von Toronto und Hamilton stellen nun ihr von der Firma Toyota Tsusho gefördertes Projekt vor, mit dem sich flüssige Nahrungsmittel von der Abfüllung bis zum Verbrauch laufend prüfen lassen.

Die Grundlage bilden Biosensoren (DNAzyme, kurze katalytisch wirksame DNA-Stücke), die auf bakterielle Stoffe ansprechen. Kommt ein DNAzym damit in Kontakt, setzt es eine molekulare Boje frei, die sich optisch detektieren lässt (Fluorophor, fluoreszierender Stoff).

Die Methode kennt man seit Jahren, aber bisher lieferte sie nur ein ungenügendes Signal-Rauschverhältnis von 3:1. Die Ursache sind Nahrungsmittelbestandteile, die als Klümpchen unspezifisch an den Sensor binden und falschpositive Signale auslösen. Auch erzeugen autofluoreszierende Stoffe, die in vielen Nahrungsmitteln natürlich vorkommen, falschpositive Ergebnisse. Dazu zählen aromatische Aminosäuren, Chlorophylle oder auch die Vitamine A und B2.

Besonders Vitamin B2 bereitet den Wissenschaftlern Kopfzerbrechen, weil es ebenso wie das übliche Fluorophor 6-Carboxyfluorescein (oft FAM abgekürzt) bei 520 Nanometern emittiert. Dieses Problem umschiffte die Arbeitsgruppe, indem sie zu einer anderen molekularen Boje griff (Carboxytetramethylrhodamin). Deren Emissionsspitze liegt bei 615 Nanometern.

Zusätzlich beschichteten die Forscher die Sensorfläche mit einem geschmacks- und geruchlosen Nanomaterial, das die US-amerikanische Behörde Food and Drug Administration für den Einsatz freigegeben hat. Es wirkt der unspezifischen Bindung von Nahrungsbestandteilen als Schmiermittel entgegen – die Klümpchen gleiten daran ab, sodass nur erwünschte bakterielle Substanzen an das DNAzym binden.

So habe man in Experimenten mit Milch und dem Testbakterium Escherichia coli das Signal-Rauschverhältnis auf praxistaugliche 8:1 verbessert. Dabei schlägt der Sensor schon bei geringen Bakterienmengen an (ab 250 koloniebildenden Einheiten pro Milliliter innerhalb einer Stunde). Laut der Arbeitsgruppe liefert bisher keine andere optische Methode eine so hohe Empfindlichkeit.

Die Technik lasse sich für andere Keime erweitern, darunter lebensgefährliche Listerien und Clostridien. Im nächsten Schritt will Toyota Tsusho Produkte für die Industrie entwickeln. Anschließend könnten Verbraucher Handscanner kaufen, um Messergebnisse nach Bedarf auszulesen.

Fachbeitrag zum Biosensor
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(dz)