// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Heuschrecken erkennen dank Nanoschaum mehr Chemikalien
Heuschrecken nehmen selbst schwache Gerüche wahr, können aber nicht jeden Stoff zuverlässig unterscheiden. Forscher haben ihre Fühler nun mit einem ultraleichten Nanoschaum ausgestattet, der zusätzliche chemische Signaturen liefert. Zusammen erkannten beide Messverfahren die getesteten Stoffe verlässlicher als jedes Verfahren für sich. Das könnte künftig die Suche nach gefährlichen Chemikalien erleichtern.
St. Louis (U.S.A.). Flüchtige Substanzen in der Luft zu identifizieren, ist etwa bei Chemieunfällen oder der Suche nach Sprengstoffen eine anspruchsvolle Aufgabe. Messsysteme sollen möglichst empfindlich sein und zugleich ähnliche Stoffe sicher auseinanderhalten können. Technische Sensoren sind oft auf bestimmte Moleküle spezialisiert, während biologische Geruchssysteme zahlreiche schwache Reize aufnehmen können.
Heuschrecken sind dafür besonders interessant. Ihre Fühler registrieren Duftmoleküle, und das Nervensystem verarbeitet die Signale zu charakteristischen Aktivitätsmustern. Diese biologischen Muster allein reichen aber nicht aus, um eine große Vielfalt chemisch unterschiedlicher Stoffe zuverlässig zu identifizieren.
Forscher der Washington University in St. Louis (WashU) um Prof. Baranidharan Raman haben deshalb eine hybride Sensortechnik untersucht. Sie verbindet die Geruchswahrnehmung lebender Heuschrecken mit einer zweiten, künstlichen Messmethode, die die chemischen Eigenschaften eingefangener Moleküle sichtbar macht.
Für diesen zweiten Messweg entwickelten die Wissenschaftler einen besonders leichten und porösen Kollagenschaum mit plasmonischen Nanostrukturen. Sie brachten das Material auf den Fühlern oder Flügeln der Insekten an, wo es Spuren chemischer Verbindungen aufnehmen kann. Der Schaum nutzt die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS), bei der Nanostrukturen das optische Signal benachbarter Moleküle verstärken.
Dadurch entstehen charakteristische Schwingungsspektren, die als eine Art chemischer Fingerabdruck dienen. Das biologische System liefert hingegen Informationen darüber, wie die Riechnerven auf einen Geruch reagieren. Beide Messwege erfassen somit unterschiedliche Eigenschaften derselben untersuchten Chemikalien.
„Biologische und künstliche Chemiesensoren haben Stärken und Schwächen“, sagt Prof. Srikanth Singamaneni von der Washington University in St. Louis.
Die Wissenschaftler werteten deshalb die Nervensignale und die optischen Spektren gemeinsam aus. Ein Auswerteverfahren berücksichtigte dabei, wie verlässlich die jeweils vorliegenden Signale waren, und verband die Informationen entsprechend ihrer Aussagekraft.
Bei den untersuchten chemischen Proben schnitt die Kombination besser ab als die Auswertung des Geruchssystems oder der Raman-Signale allein. Die verbesserte Unterscheidung zeigte sich über alle getesteten Stoffe hinweg. Zu den erfassten chemischen Signaturen gehörte laut der begleitenden Studienmitteilung auch der Sprengstoff Trinitrotoluol (TNT).
Damit profitiert die Sensorplattform von zwei unterschiedlichen Stärken. Die Heuschrecken reagieren empfindlich auf flüchtige Stoffe, während der aufgesetzte Schaum zusätzliche Informationen über die chemische Identität liefert. Gerade bei einer breiten Palette möglicher Zielsubstanzen kann diese Ergänzung entscheidend sein.