Technologie

Optoplasmonischer Sensor für schnelle Milchtests

05.11.2019 - In einer einzigen Messung können in fünf Minuten sechs Inhaltsstoffe analysiert werden.

Schädliche Organismen können durch Euter­infektionen in die Milch gelangen. Chemische Stoffe wie Antibiotika und Pestizide führen über das Futter oder durch unzureichende Kontrollen zu Konta­minationen führen. Um den Eintritt verunreinigter Milch in die Nahrungs­kette zu verhindern, werden über den gesamten Produktions­prozess und die gesamte Lieferkette Kontrollen durchgeführt. Doch diese Standard­tests sind mit einem hohen Kosten- und Zeitaufwand verbunden. Im EU-Projekt MOLOKO – Multiplex phOtonic sensor for pLasmonic-based Online detection of conta­minants in milK – haben nun zwölf Partner aus sieben Ländern eine Lösung gefunden, Verunreinigungen in der Milch erheblich günstiger und schneller zu erkennen: Ein neuer opto­plasmonischer Sensor soll als Frühwarn­system und als zusätzliche Kontrolle fungieren, bevor die Milch in den Tank kommt. In etwa fünf Minuten soll er sie mit einer einzigen Messung auf insgesamt sechs Inhalts­stoffe analysieren. Der Sensor ist mit spezifischen Antikörpern für verschiedene Parameter von Milch­sicherheit und -qualität funk­tionalisiert und ermöglicht die automatische quan­titative Analyse direkt vor Ort in den Milc­hbetrieben.

Das komplette System besteht aus einem mikro­fluidischen, wieder­verwendbaren Chip, organischen licht­emittierenden Transistoren (OLET) oder Dioden (OLED), organischen Photo­detektoren (OPD) als Sensor, einem nano­strukturierten plasmonischen Gitter und den spezifischen Antikörpern. Das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronen­strahl- und Plasmatechnik FEP entwickelt den organischen Photo­detektor, das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS den mikro­fluidischen Chip. Der OLET und das photonische Gitter werden vom CNR-ISMN in Bologna gemeinsam mit der ita­lienischen Firma Plasmore Srl in Pavia entwickelt.

„Das Besondere an unserem Chip ist, dass man ihn wieder­verwenden kann. Dies gelingt, indem die Zielmoleküle mit Hilfe eines Regenerations­puffers von den immo­bilisierten Antikörpern lösen, so dass diese sich wieder für einen erneuten Nachweis nutzen lassen“, sagt Andreas Morschhauser, Wissen­schaftler am Fraunhofer ENAS. Der Chip ist für hundert Messungen ausgelegt. Mit jeder Messung können sechs Parameter oder Schadstoffe und Proteine analysiert werden. Hierfür entwickeln Morsch­hauser und seine Kollegen das mikro­fluidische System in der Form einer austausch­baren, automatisierten und minia­turisierten Kartusche. Neben den gewonnenen Informationen zur Milch erlauben die gemessenen Parameter aber auch Rückschlüsse auf die Gesundheit jeder einzelnen Kuh, Landwirte erhalten vielfältige Informationen über deren Verfassung. Beispiels­weise lassen sich so frühzeitig Infektionen erkennen und somit umgehend behandeln. Eine frühzeitige Behandlung kann zu einem umsichtigen Einsatz von Antibiotika und damit auch zu deren Reduzierung beitragen.

„Der Transistor erzeugt Licht, das auf das mit Antikörpern beschichtete Gitter fällt. Diese sind spezifisch für die relevanten Inhalts­stoffe. Wird die Milch nun über die Antikörper gespült, so binden die Zielmoleküle an ihnen. Dadurch ändert sich der Brechungs­index in der Umgebung des Gitters, was zu einer Änderung der Reflektion des Lichts führt. Das reflektierte Licht fällt auf den Photodetektor, der die minimale Änderung der Brechzahl misst“, sagt Michael Törker, Wissen­schaftler am Fraunhofer FEP. Der grundlegende Effekt der Oberflächen­plasmonenresonanz tritt an speziellen struk­turierten Nanogittern auf. Der Effekt erlaubt schnelle und sehr sensitive Messungen.

Der Biosensor soll an verschiedenen Stellen der Wert­schöpfungskette eingesetzt werden können: sowohl als Laborgerät als auch direkt in Melkanlagen integriert. Das System eignet sich jedoch nicht nur für den Qualitäts­check von Milch. Mit dem opto­plasmonischen Sensor könnten in Zukunft auch andere Flüssig­keiten wie beispiels­weise Bier oder Wasser analysiert werden. Hierfür ist lediglich eine Anpassung der immo­bilisierten Fänger­moleküle und der notwendigen Reaktions­puffer notwendig. Dafür müssen nur die Fänger­moleküle ausgetauscht und entsprechend angepasst werden.

Fh.-FEP / JOL

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