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Sensorchip Gewässerüberwachung mit biohybriden Sensorchips

| Autor / Redakteur: Joachim Wiest* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die präzise und umfassende Gewässerüberwachung ist oft aufwändig oder schwer zu realisieren. Am Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik der Technischen Universität München wurde jetzt ein neues Verfahren entwickelt, das die Gewässerbelastung mittels biohybrider Sensorchips bestimmt. Im August 2008 gab es dafür den E.ON-Bayern-Umweltpreis.

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Abb. 1: Der BioChip-C mit dem Intelligent Mobile Lab (IMOLA) ermög-licht die schnelle, sensitive und mobile Gewässerüberwachung.
Abb. 1: Der BioChip-C mit dem Intelligent Mobile Lab (IMOLA) ermög-licht die schnelle, sensitive und mobile Gewässerüberwachung.
( Bild: Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik der TU München )

Die Reinheit von Gewässern zu überwachen, erfordert derzeit den Einsatz zum Teil recht aufwändiger Messapparaturen. Oft werden dabei Sensorsysteme eingesetzt, die gezielt einen wesentlichen Parameter, zum Beispiel eine bestimmte Ionen-Konzentration, erfassen. Dies bedeutet, dass lediglich die Inhaltsstoffe im Wasser erfasst werden können, die bei Installation der Anlage erwartet wurden.

In Zusammenarbeit mit der Limnologischen Station Iffeldorf der Technischen Universität München wurde nun am Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik der Technischen Universität München ein Verfahren entwickelt, das die Wasserqualität mittels biohybrider Sensorchips (s. Abb. 2) überwacht. Dabei wird mithilfe auf dem Chip integrierter Sensoren online und in Echtzeit die Vitalität von Algen erfasst.

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Zugrundeliegendes Prinzip

Die mit dem zu überwachenden Wasser umspülten Algen reagieren auf eine Verschlechterung der Wasserqualität sofort mit einer Abnahme der Vitalität, die mit einer Verminderung ihrer Photosyntheseaktivität einhergeht. Diese kann direkt über Sauerstoffsensoren und indirekt über pH-Sensoren auf der Chip-Oberfläche gemessen werden. Die Sensorchips sind in ein speziell dafür entwickeltes Messgerät eingesetzt. Durch den kompakten und energieeffizienten Aufbau ist die Stromversorgung über Solarzellen mit Akkupufferung möglich. Zudem ist ein Modul zur Datenübertragung über das Mobilfunknetz integriert. Unabhängig vom Stromnetz bzw. von kabelgebundenen Kommunikationsnetzen kann das entwickelte System (s. Abb. 4) überall dort mobil eingesetzt werden, wo ein Mobilfunknetz verfügbar ist. Soll beispielsweise ein kompletter Flusslauf überwacht werden, können mehrere Systeme – jeweils unterhalb von Zuläufen – aufgestellt und betrieben werden.

Mit dem neu entwickelten System wurden gleich mehrere Probleme bisheriger Methoden gelöst. Das System ist nahezu überall einsetzbar, einfach zu installieren und höchstsensitiv. Jede Veränderung der Wasserqualität kann detektiert werden, egal ob diese durch zugeleitete Chemieabfälle, Überdüngung der anliegenden Felder oder gezielte Verunreinigung verursacht wurde. Durch Einsatz von Algen, die im jeweiligen Gewässer heimisch sind, kann das System zudem einfach an unterschiedliche Grundinhaltsstoffe von Flüssen und Seen angepasst werden.

Funktionsweise des Sensorchips

Um die Vitalität der Algen zu überwachen, werden kontinuierlich die Photosyntheseaktivität und die extrazelluläre Ansäuerung der Algen aufgezeichnet. Hierzu wird der mit Algen bestückte Chip in das Messsystem (s. Abb. 3) gebracht und mit Licht bestrahlt.

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