Sensoren auf Papier erkennen Schimmel und Bakterien in Sekunden
Infektionen in der Humanmedizin und Schimmelbefall im Bauwesen gelten auf den ersten Blick als völlig unterschiedliche Probleme. Während Ärzte Krankheitserreger im menschlichen Körper aufspüren, suchen Baufachleute nach Mikroorganismen, die Materialien schädigen und Gebäude beeinträchtigen.
Die Herausforderung dahinter ist jedoch dieselbe: Mikrobieller Befall muss möglichst früh erkannt werden, um Schäden zu begrenzen und wirksame Gegenmaßnahmen einzuleiten. Bisher sind zuverlässige, schnelle und kostengünstige Diagnosemethoden aber selten.
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Papier-Teststreifen
Hier setzt das Projekt sensePrintLab an, das von einem interdisziplinären Team aus dem Forschungsnetzwerk Austrian Cooperative Research (ACR) ins Leben gerufen wurde und vom Bundesministerium für Wirtschaft, Energie und Tourismus gefördert wird. Die ACR-Institute Holzforschung Austria (HFA), Österreichisches Forschungsinstitut für Chemie und Technik (OFI) und KMU-Forschung Austria (KMFA) entwickeln eine innovative Sensorplattform, die mikrobiellen Befall frühzeitig sichtbar und modernste Biosensorik erstmals breiter zugänglich machen soll.
Das Team arbeitet dabei an gedruckten Sensoren auf Papier, die wie ein Teststreifen funktionieren. Die Sensoren erkennen Schimmelpilze, Bakterien wie E. coli sowie den pH-Wert. Letzterer dient als Indikator für entsprechende Wachstumsbedingungen. Im Laufe des Projekts sollen aber noch weitere Pathogene sowie Messgrößen ergänzt werden – etwa Temperatur und Feuchtegehalt.
Forscher perfektionieren derzeit die Teststreifen zur Ermittlung von Erregern.
© ACR schewig fotodesign
Zeit und Kosten sparen
In ersten Tests sollen Harnwegsinfektionen sowie Schimmelpilzsporen in Innenräumen frühzeitig und zuverlässig erkannt werden. „Bakterien im Urin oder Pilzsporen werden bisher typischerweise mittels Kultivierung in einem Nährmedium nachgewiesen. Dafür wird eine Probe auf ein passendes Medium gegeben und für mehrere Stunden im Brutschrank kultiviert“, sagt Boris Forsthuber, Projektleiter und Leiter des Fachbereichs Oberfläche an der HFA.
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Anschließend können die Bakterien bzw. Pilzsporen identifiziert und ausgezählt werden. Von der Probenahme bis zur Auswertung vergehen mehrere Stunden – der Prozess beinhalte zahlreiche Arbeitsschritte. Dies sei ein hoher Zeit- und Kostenaufwand. „Die im Rahmen des Projekts entwickelten Biosensoren werden hingegen nur in die Probe eingetaucht und die Bakterien mittels elektrochemischer Verfahren direkt nachgewiesen. Das Messergebnis ist somit bereits nach wenigen Sekunden da, was eine erhebliche Zeit- und damit Kostenersparnis bedeutet“, sagt der Forscher.
Fakten
Biosensoren gelten in mehreren Branchen als wichtige Technologie. Laut dem New Yorker Marktforschungsunternehmen Market.us wächst ihr globaler Markt jährlich um ca. 9 Prozent. Biosensoren werden u. a. für die Kosmetikbranche, die chemische Industrie sowie zur Qualitätssicherung von Lebensmitteln und Trinkwasser eingesetzt.
36 Milliarden US-Dollar wird der Biosensorenmarkt im Jahr 2026 nahezu erreichen, wie eine Erhebung von Precedence Research ergeben hat.
Auswertung per KI
Zur Erkennung der Mikroorganismen kommt Künstliche Intelligenz (KI) zum Einsatz. Die Auswertung erfolgt automatisiert. Laut Forsthuber können mit einem Sensor mehrere Bakterien auf einmal nachgewiesen werden. Zudem werde z. B. auch der pH-Wert bei der Diagnose berücksichtigt. „Damit wird die Zuverlässigkeit im Vergleich zu einer manuellen Messung im Idealfall erhöht. Aus Datenschutzgründen ist es überdies wichtig, dass die verwendeten KI-Modelle lokal auf dem Lesegerät vorhanden und ausgeführt werden.“
Da es sich bei den Teststreifen um ein Einwegprodukt handelt, liege ein besonderes Augenmerk auf der Verwendung von bio-basierten sowie biologisch abbaubaren Materialien. „Papier eignet sich als Trägermaterial dafür hervorragend. Zur besseren Bedruckbarkeit und Handhabung wird das Papier zudem mit bio-basierten sowie biologisch abbaubaren Beschichtungen versehen“, sagt Forsthuber.
Skalierbares System
Prototypen können im Drucklabor, das im Laufe des Projekts an der HFA installiert wird, entwickelt und Kleinserien produziert werden: „Das System ist äußerst skalierbar konzipiert. Dies reicht von einfachen Teststreifen für Privatpersonen, die mittels Smartphone ausgelesen werden können, über integrierte Sensoren in Hygieneprodukten wie z. B. Windeln für den Pflegebereich bis hin zu Teststreifen mit separatem Lesegerät für die klinische Anwendung.“
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Der Prototyp soll bis 2028 in konkreten Anwendungsbereichen getestet werden und die Grundlage für die marktreife Produktion schaffen. Für die Markteinführung sei noch eine Zulassung erforderlich, die bei Medizinprodukten mehrere Jahre dauern kann. Die Anwendung zur Messung von Pilzsporen in der Raumluft könnte deutlich schneller umgesetzt werden.
Diese Serie erscheint in redaktioneller Unabhängigkeit mit finanzieller Unterstützung des Bundesministeriums für Wirtschaft, Energie und Tourismus.
Mikroben treiben Unterwasser-Sensoren an
Unterwasser-Sensoren kommen in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie Meeresforschung oder Umweltüberwachung, zur Anwendung. Darüber hinaus liefern sie wesentliche Daten für den Küstenschutz, erkennen klimatische Veränderungen in den Ozeanen und überwachen kritische Infrastruktur wie Unterseekabel. Ein Problem stellt die begrenzte Lebensdauer der Akkus dar: Sobald diese erschöpft sind, müssen die Sensoren geortet, geborgen und mit neuen Akkus ausgestattet werden – ein zeit- und kostenintensiver Prozess.
Ein Team der Michigan Technological University verfolgt einen neuen Ansatz: Statt Akkus kommen Mikroorganismen zum Einsatz, die organisches Material in Strom umwandeln und so die Sensoren mit Energie versorgen. Diese Technologie ist grundsätzlich nicht neu und wird bereits in Kläranlagen eingesetzt, wo reichlich Nährstoffe für Mikroben vorhanden sind.
Aktivkohle eingesetzt
Für die Anwendung im Ozean muss sie jedoch angepasst werden. Denn: Im Meerwasser sind die Nährstoffe in geringeren Mengen vorhanden. Zudem beeinträchtigt der höhere Sauerstoffgehalt die Stromproduktion, da die Mikroben den Sauerstoff vorrangig für die Zellatmung nutzen und somit weniger Energie für die Stromerzeugung bleibt.
Als Lösung setzt das Team auf Aktivkohle, die organisches Material aus dem Wasser filtert und gleichzeitig als Wachstumsoberfläche für die Mikroben dient. Aktivkohle soll zusätzlich die Stromproduktion trotz erhöhtem Sauerstoffgehalt stabilisieren.
30 Tage Strom
Ein erster Feldtest hat gezeigt: Der Mikroben-Sensor lieferte 30 Tage lang zuverlässig Strom – die Steuerung funktionierte einwandfrei. Das nächste Ziel ist ein einjähriger Dauerbetrieb unter Wasser. Aktuell wird das System optimiert, um auch Faktoren wie Druck, Korrosion und der Interaktion mit Meeresbewohnern standzuhalten.