Günstiger Nanosensor findet Pestizide auf Obst in Minuten

Viele Pestizide lassen sich zuverlässig nachweisen, aber bisher nur in Großlabors. Eine Forschergruppe aus Stockholm bahnt den Weg zu preisgünstigen Sensoren.

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(Bild: Gorodenkoff/Shutterstock.com)

Von
  • Dusan Zivadinovic

Wenn die moderne Landwirtschaft nicht ohne Pestizide auskommt und sie nicht aufrichtig deklariert, möchte man diese als Konsument wenigstens selbst identifizieren können, denn manche Pestizide stehen in Verbindung mit Tumorbildung oder Herzkrankheiten. Laut einem im Mai 2022 veröffentlichten Bericht des europäischen Pesticide Action Network enthält bis zur Hälfte aller in der EU verkauften Früchte Pestizidrückstände.

Technisch lassen sich viele Substanzen schon lange eindeutig identifizieren, beispielsweise mittels der seit den 1930er-Jahren entwickelten Raman-Spektroskopie, bei der man Streulichtspektren von laserbestrahlten Proben aufnimmt. Anhand der Spektren schließt man auf die in der Probe enthaltenen Substanzen.

Mit einem neuen Nanosensor lassen sich geringste Spuren von Pestiziden kostengünstig nachweisen. Zum Justieren haben die Forscher ein Insektizid in steigenden Konzentrationen aufgetragen und mit einer Probe verglichen.

(Bild: Karolinska-Institut)

Das Verfahren ist so elegant wie aufwendig: Es nutzt aus, dass elektromagnetische Wellen beim Auftreffen auf schwingende Moleküle spezifisch in der Frequenz verändert werden (inelastische Wechselwirkung). So hat jeder Stoff einen molekularen Fingerabdruck. Doch die Raman-Streuung kommt selten vor: Nur etwa jedes millionste Photon wechselwirkt derart mit Materie, sodass der Nachweis von Substanzen, die selbst in geringen Konzentrationen biologisch wirksam sind, oft schwerfällt.

Dennoch lassen sich sogar Signale von einzelnen Molekülen detektieren, und zwar mittels der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS). Dabei nutzt man ein 1973 von Martin Fleischmann und Kollegen beschriebenes Phänomen: Trägt man eine flüssige Probe auf eine Edelmetalloberfläche (Objektträger) auf, wird deren Raman-Streuung extrem verstärkt. Die Ursache dafür sind stehende Elektronenwellen (Plasmonen), die sich auf der Metalloberfläche bilden und vom gestreuten Licht angeregt werden.

Heute nutzt man als SERS-Objektträger Glasplättchen von einigen Zentimetern Länge und Breite mit einer mittig angebrachten aktiven Fläche von einigen Millimetern Durchmesser. Dabei sind Edelmetall-Nanobeschichtungen mit regelmäßigen Vertiefungen wie Schüsseln üblich, welche die Plasmonbildung begünstigen. Die Herstellung erfordert mehrere aufwendige Schritte, sodass sie teuer sind. Beispielsweise verlangt die US-Firma Ocean Optics für ein Exemplar mindestens 66 Euro.

Die Forscher des Karolinska-Instituts haben nun die in Industrieprozessen bewährte Flammenbedampfung (flame spray) abgewandelt, Glasoberflächen in einem Schritt mit Silbernanopartikeln zu beschichten. "Unsere Sensoren erkennen Pestizidrückstände auf Äpfeln in nur fünf Minuten, und zwar ohne die Früchte zu beschädigen", sagt Haipeng Li, Erstautor der Studie. Die Herstellung gelingt "in reproduzierbar hoher Qualität". Weil sich große Flächen gleichmäßig und schnell beschichten lassen, deutet sich damit erstmals eine Massenfertigung von SERS-Objektträgern an.

Für die ersten Prüfungen haben die Forscher das in vielen Ländern verbotene Insektizid Parathion-Ethyl in geringen Mengen auf Äpfel aufgetragen und mit einem simplen, lösungsmittelgetränkten Wattebausch aufgenommen. Anschließend gaben sie den Wattebausch in Lösung und brachten von dieser Lösung Mikrolitermengen auf Objektträger zur Analyse auf. Im nachfolgenden Mikroskopieschritt seien dann Anteile bis hinunter zu 0,1 ppm zu identifizieren gewesen (ppm = Parts per Million).

Die Technik müsse ihre Eignung zwar noch in größeren Studien belegen, aber Haipeng Li ist überzeugt, dass seine Methode den Weg bahnt zu Geräten, mit denen eine Lebensmittelüberprüfung in großem Maßstab bald kostengünstig möglich wird. Einkäufer von Supermarktketten könnten dann Obst und Gemüse auf der Plantage untersuchen, bevor sie sie für Kunden bestellen. Auch könnte man die Technik adaptieren, um Krankheitserreger zu identifizieren oder etwa den Speichel von auffälligen Fahrern direkt am Straßenrand ganz ohne Bluttest auf Drogen zu analysieren.

SERS-Infos:
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(Bild: 

c't 17/22

)

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(dz)