Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das Gerät mit der feinen Nase

01.02.2016

ETH-Wissenschaftler haben die empfindlichsten Analysegeräte für Luft und Gase nochmals deutlich empfindlicher gemacht. Die Instrumente sind damit reif für den Einsatz in der Medizin, der biologischen Forschung und der Forensik.

Wenn es darum geht, geringste Spuren flüchtiger chemischer Verbindungen in der Luft zu messen, gehören die Analysegeräte in Pablo Sinues' Labor zu den weltweit empfindlichsten. Man findet mit ihnen sprichwörtlich die Nadel im Heuhaufen: Die Nachweisgrenze für flüchtige Verbindungen in Luft liegt im Bereich der Konzentration von einem Billionstel – und das in Echtzeit.


ETH-Privatdozent Pablo Sinues mit seinem SESI-Gerät (Bildmitte), das an ein handelsübliches Massenspektrometer (graues Gerät rechts) angeschlossen ist.

ETH Zürich / Pablo Sinues

Mit einer Luftanalyse lässt sich so beispielsweise in einem Frachtcontainer versteckter Sprengstoff aufspüren, so schnell und empfindlich, wie das Spürhunde können. Im Gegensatz zu Hunden können Sinues' Messgeräte jedoch eine breite Stoffpalette gleichzeitig analysieren – und sie werden auch nicht müde. Sinues, Privatdozent am Labor für Organische Chemie, hat nun die bereits grosse Empfindlichkeit der Messgeräte nochmals erhöht.

Bei seinen Messgeräten handelt es sich um speziell angepasste Massenspektrometer, in der die Proben vor der Messung elektrisch aufgeladen (ionisiert) werden. Sekundäre Elektrospray-Ionisierung (SESI) heisst die Technik.

Dabei wird ein Gerät zur Ionisierung der in der Luft vorhandenen Moleküle an ein handelsübliches Massenspektrometer angeschlossen. Sinues ist seit zehn Jahren führend bei der Entwicklung dieser Technik, die der er damals als Doktorand bei einem Aufenthalt an der Yale University kennenlernte.

Gemeinsam mit Forschern einer Spin-off-Firma in Spanien, welche die Technik heute vermarktet, und mit denen er im Rahmen eines EU-Forschungsprojekts zusammenarbeitet, konnte er nun die Geometrie der SESI-Ionisierungskammer optimieren. Das führte dazu, dass die neuste SESI-Generation fünfmal empfindlicher ist als die Vorgängergeneration.

Um dies zu erreichen, erstellten die Forscher ein Computermodell der Ionisierungskammer, in dem sie den Ionsierungsvorgang im Detail simulieren können. «Dieses Modell half uns, das ideale Design der Kammer zu finden», so Sinues.

Neue Stoffwechselmoleküle nachgewiesen

In Experimenten mit einem verbesserten SESI-Gerät konnten die Wissenschaftler äusserst geringe Konzentrationen von Medikamenten und körpereigenen Hormonen, welche sie in Luft zerstäubten, nachweisen: Je nach Verbindung reichten für den Nachweis eine Handvoll bis einige Dutzend Moleküle in einer Billion Molekülen der Umgebungsluft.

«Diese Empfindlichkeit reicht aus, um unsere SESI-Geräte für Atemluftanalysen in der Medizin zu verwenden», sagt Sinues. «In ersten Versuchen mit dem neuen, verbesserten SESI-Messgerät konnten wir in Atemluft einige Stoffwechselmoleküle messen, die nie zuvor im Atem nachgewiesen werden konnten», sagt Sinues.

In früheren Studien hat Sinues zusammen mit Kollegen gezeigt, dass sich die Aufnahme und der Abbau von Medikamenten im Körper von Versuchsmäusen anhand einer Atemluftanalyse nachvollziehen lässt.

«Unsere Methode könnte dereinst Klinikmitarbeitern helfen, um zu entscheiden, wann sie Patienten eine erneute Dosis eines Medikaments verabreichen müssen», so der ETH-Dozent. Der Einsatz der Technik in der Klinik wird in den kommenden Jahren im Rahmen eines neuen Flagship-Projekts unter der Ägide von «Hochschulmedizin Zürich» vorangetrieben (siehe Kasten unten).

Pflanzenduftstoffe und Weinbau

Die möglichen Anwendungen der hochempfindlichen und schnellen Spürnasen-Instrumente beschränken sich nicht auf die Medizin und den Nachweis von Sprengstoffen. Gemeinsam mit Kollegen setzt Sinues die Methode derzeit in einem biologischen Forschungsprojekt ein. Bei Schädlingsbefall produzieren Pflanzen Duftstoffe, um Nützlinge anzulocken und um Nachbarpflanzen vor dem Schädlingsbefall zu warnen.

Wegen der geringen Konzentrationen der Duftstoffe ist ihr Nachweis allerdings schwierig, und weil die Pflanzen sehr schnell darauf reagieren braucht es Echtzeit-Messgeräte. Sinues ist überzeugt, dass die SESI-Massenspektrometrie diesen Forschungszweig entscheidend weiterbringt und beispielsweise auch im Weinbau angewandt werden könnte. «Die Zusammensetzung von Duftmolekülen der Weintrauben ändert sich während der Traubenreifung», erklärt er. Seine Methode könne helfen, anhand dieses Bouquets den optimalen Erntezeitpunkt der Weintrauben festzustellen.


Neues Flagship-Projekt von «Hochschulmedizin Zürich»

«Hochschulmedizin Zürich» ist ein Verbund von ETH Zürich, der Universität Zürich und den hier angesiedelten universitären Spitälern. Vergangenen November gab die Organisation den Start von zwei neuen grossangelegten und langfristigen Forschungsprojekten bekannt. In einem dieser neuen Flagship-Projekte sollen die Möglichkeiten der SESI-Massenspektrometrie in der Atemanlayse ausgelotet werden. Projektleiter sind Renato Zenobi, Professor für analytische Chemie an der ETH Zürich, und Malcolm Kohler, Direktor der Klinik für Pneumologie am Universitätsspital Zürich. Im Projekt geht es etwa darum, Diabetes oder Schlafapnoe über die Atemluft zu diagnostizieren. Dies wäre schneller, kostengünstiger und für die Patienten angenehmer als etwa Bluttests oder eine Nacht im Schlaflabor.

Der ETH-Dozent Pablo Sinues plant, im Rahmen dieses Flagship-Projekts die Diagnose bakterieller Lungenentzündungen mittels Atemluftanalyse zu erforschen. Heute dauern die Laboranalysen zum Nachweis einer spezifischen Bakterienart oft zwei Tage. Sinues geht davon aus, dass sich der Nachweis mit dem SESI-Gerät in einer Viertelstunde erbringen lässt. Denn Bakterien sondern je nach Art unterschiedliche Stoffwechselprodukte ab, welche in der Atemluft nachgewiesen werden können. Ärzte wüssten so gleich von Beginn an, ob bei einem Patienten eine bakterielle Lungenentzündung vorliegt, und sie könnten ihn sofort mit dem Antibiotikum der Wahl behandeln.

Auch Lungenkrebs könnte möglicherweise mittels Atemanalysen diagnostiziert werden. Weitere Einsatzmöglichkeiten in der Medizin: Ärzte können damit überprüfen, ob ein Patient seine Medikamente eingenommen hat – oder ob er geraucht hat. Bei Patienten, die nach dem Konsum von Designerdrogen ins Spital eingeliefert werden, können sie schnell herausfinden, welche Substanz sie konsumierten.

Literaturhinweis

Barrios-Collado C, Vidal-de-Miguel G, Sinues PML: Numerical modeling and experimental validation of a universal secondary electrospray ionization source for mass spectrometric gas analysis in real-time. Sensors and Actuators B: Chemical 2016, 223: 217-225, doi: 10.1016/j.snb.2015.09.073 [http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2015.09.073]

Fabio Bergamin | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers
18.10.2019 | Universität zu Köln

nachricht Das Rezept für eine Fruchtfliege
18.10.2019 | Max-Planck-Institut für Biochemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

VR-/AR-Technologien aus der Nische holen

18.10.2019 | Veranstaltungen

Ein Marktplatz zur digitalen Transformation

18.10.2019 | Veranstaltungen

Wenn der Mensch auf Künstliche Intelligenz trifft

17.10.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Insekten teilen den gleichen Signalweg zur dreidimensionalen Entwicklung ihres Körpers

18.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Volle Wertschöpfungskette in der Mikrosystemtechnik – vom Chip bis zum Prototyp

18.10.2019 | Physik Astronomie

Innovative Datenanalyse von Fraunhofer Austria

18.10.2019 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics