Forschung und Leben

Der richtige Riecher für exakte Diagnostik

Präzisionsspektroskopie misst winzige Stickoxid-Gasmengen dank Rydberg-Anregung
[Foto: Stock/synto]

Die Nase eines Hundes ist hunderttau- sendmal empfi ndlicher als die eines Men- schen. Durch entsprechendes Training kann der „beste Freund des Menschen“ sogar bestimmte Krankheiten beim Men- schen riechen. Physiker der Universität Stuttgart treten nun in Konkurrenz zu den begabten Vierbeinern: sie bauen eine künstliche Nase, die noch deutlich sensibler ist als ihr natürliches Vorbild.

Im Gegensatz zur Hundenase soll das neue Mess­ verfahren nicht nur bestimmte Substanzen in der Atemluft erkennen, sondern auch deren exakte Kon­ zentration im zeitlichen Verlauf bestimmen. Das Ver­ fahren, dessen sich Prof. Tilman Pfau und sein Team vom 5. Physikalischen Institut der Universität Stutt­ gart zusammen mit dem interdisziplinären Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaft und Quanten­ technologie (IQST) für ihre Messungen bedienen, nennt sich optogalvanische Rydberg­Spektroskopie. Dabei konzentrieren sich die Physiker zunächst darauf, Stickstoffmonoxid (NO) zu messen. „Mit unseren Lasern bringen wir bestimmte Moleküle – in unserem Projekt sind es Stickstoffmonoxid­Mole­ küle – in einen hochangeregten Zustand.

Bei diesem sogenannten Rydberg­Zustand ist ein Elektron nur noch lose an den Atomkern gebunden. Sobald die Moleküle in der Gaswolke aufeinanderstoßen, wer­ den sie ionisiert“, erklärt Projektmitarbeiter Harald Kübler. Die dadurch entstandenen Ladungen werden gezählt und geben Rückschluss auf die Anzahl der Stickstoffmonoxid­Moleküle in der Probe. „Unser Gassensor ist in der Lage, NO­Konzentrationen von weniger als 10 ppm, das sind zehn Teilchen pro einer Million Teilchen, zu detektieren. Das funktioniert bei atmosphärischem Druck und ist in der Genauig­ keit derzeit nur durch die Art und Weise begrenzt, wie wir Gasverdünnungen herstellen“, fasst Pfau den Stand der Forschung zusammen. Ein weiterer Vorteil neben der Präzision der Messungen ist, dass sich der Strom relativ schnell messen lässt und damit auch schnellere Veränderungen in der NO­Konzen­ tration messtechnisch zugänglich werden.

Prof. Tilman Pfau und sein Team vom 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart haben zusammen mit dem IQST Ulm die sogenannte optogalvanische Rydberg-Spektroskopie entwickelt. Derzeit hat das Verfahren noch die Größe einer überdimensionierten Tischtennisplatte.  (c) Max Kovalenko
Prof. Tilman Pfau und sein Team vom 5. Physi­ kalischen Institut der Universität Stuttgart haben zusammen mit dem IQST Ulm die sogenannte op­ togalvanische Rydberg­Spektroskopie entwickelt. Derzeit hat das Verfahren noch die Größe einer überdimensionierten Tischtennisplatte. Sobald das voluminöse Spektroskopie­Laboratorium einwand­ freie Ergebnisse liefert, wird es auf einen Chip in der Größe eines Fingernagels geschrumpft und in eine solche Glaszelle eingebau

Kooperation mit Universität Ulm

Rydberg­Atome, benannt nach dem Schweden Jo­ hannes Rydberg, gewinnen in der Quantentechno­ logie schon seit geraumer Zeit an Bedeutung. Am IQST werden die Möglichkeiten untersucht, wie sich mit Rydberg­Zuständen längerfristig neuartige Verfahren industriell nutzen lassen. Im aktuellen Projekt des IQST geht es darum zu erforschen, in­ wieweit der optogalvanische Gassensor auf Basis von Rydberg­Gasen für die medizinische Präzisi­ onsdiagnostik nutzbar wird und neue medizinische Erkenntnisse liefern kann.

Dafür wird das Verfah­ren von Pfaus Institut theoretisch untersucht, weiter optimiert und im Verbund mit dem Institut für Ana­lytische und Bioanalytische Chemie der Universität Ulm unter Leitung von Prof. Boris Mizaikoff mit existierenden Messverfahren verglichen. „Anfangs war unsere Motivation eine andere“, erzählt Experimentalphysiker Pfau. „Wir wollten unsere Spektroskopietechnik verbessern und elekt­ ronische Bauelemente in eine solche Gaszelle einbau­ en. Dabei ist uns klargeworden, dass mit dieser Kombination aus hochgradig miniaturisierter Elek tronik und den Rydberg­Atomen ein neuartiges Sensorprinzip möglich wird,mit dem man sehr kleine Konzentrationen von be stimmten atomaren oder molekularen Gasen nach weisen kann.“ Im nächsten Schritt wollen die Wis senschaftler dieses Sensorprinzip zur Analyse von relevanten Molekülen im ausgeatmeten Atemgas, also beispielsweise dem oben erwähnten Entzün dungsbiomarker Stickstoffmonoxid (NO) und ande ren Stickoxiden (NOx), anwenden und testen. Hier wird die Expertise des Biochemikers Boris Mizaikoff relevant. Neben erhöhter Präzision geht es dann vor allem um Parameter wie einfachere Anwendbarkeit und Kosten in der Herstellung und im Praxisalltag.

Relevanz für Umweltanalytik

Die Gassensorik ist nicht nur für die Atemgasanalyse, sondern auch für die Messung von Stickoxiden in der Umweltanalytik geeignet. Etwas überspitzt gesagt: Mit diesem Verfahren, so es schon marktfähig und in der Breite ausgerollt gewesen wäre, hätte es den Dieselskandal vielleicht nie gegeben. Ein derart prä zises und gleichzeitig kleines Messinstrument hätte sich mühelos am Fahrzeug anbringen lassen und die Diskrepanz zwischen Wunsch und Wirklichkeit in puncto Stickoxidausstoß umgehend angezeigt. Zwar sind die Anforderungen an die Sensoren im Bereich Autoabgase vor allem durch die dort vorherrschenden hohen Temperaturen von um die 1.000 Grad Celsius immens. Doch auch, wenn es auf dem Weg der Rydberg ­Gassensorik ins Automobil noch einige techni sche Hürden zu nehmen gilt, überwiegen die Vorteile: Sie lässt sich sehr selektiv für ein bestimmtes Molekül einsetzen und bestimmt höchst sensibel dessen Anteil in einem Gasgemisch. Beim Autoabgas etwa werden Hunderte von verschiedenen Molekülen ausgestoßen. Trotz dieser komplexen Matrix gelingt es hier – wie im Atemgas das Stickstoffmonoxid – Moleküle anzuregen und diese exakt zu messen.

Diagnostisches Neuland

Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal des neuen Verfahrens ist die Messbarkeit von NO ­Konzentrationen entlang eines Zeitstrahls, also die Konzentra tion des in den ersten sowie in den darauffolgenden Millilitern ausgeatmeten Atemgases. Zwar weiß man schon länger, dass es möglich ist, über Rydberg ­Zustände Moleküle sehr selektiv anzuregen; in seiner praktischen Anwendung steckt diese Form der Gasanalyse aber noch in den Kinderschuhen. „In den kommenden Jahren wird sich genauer her ausstellen müssen, welche neuen Informationen wir mit dem Sensor gewinnen können und was diese bedeuten“, so Pfau. Welche medizinische Aussage etwa hinter kontinuierlich zeitaktuellen Messungen stecken kann, wenn also im Atem beispielsweise am Anfang viel und am Ende wenig NO enthalten ist, ist bis dato unbekannt und ein weiterer Forschungs bestandteil, an dem Pfau und Mizaikoff gemeinsam arbeiten. „Wenn sich das Messprinzip als so emp findlich herausstellt, wie wir es erwarten, gibt es sicherlich noch andere Anwendungsmöglichkeiten“, nähren die Wissenschaftler den Wunsch nach neuartigen Diagnoseverfahren.

 

Vom Großlabor zur Chipgröße

Die „künstliche Nase“ hat derzeit noch die Größe einer überdimensionierten Tischtennisplatte. Sie ist gespickt mit einem Labyrinth optischer Komponenten, die den Laserstrahl fokussieren, um exakte Messungen zu erlauben. So lassen sich die angelegten Prozesse gut messen und bei Bedarf nachjustieren. Wenn es einwandfreie Ergebnisse liefert, soll das voluminöse Spektroskopie ­Laboratorium mit all seinen Funktionen auf einen Chip in der Größe eines Fingernagels geschrumpft und in eine Glaszelle ähnlich einer Pipette eingebaut werden. „Der eigentliche Messkopf kann sehr klein werden, aber die Laser als Lichtquellen, die wir für das Messverfahren benötigen, sind noch relativ groß und lassen sich in den kommenden Jahren wohl auch nicht dramatisch verkleinern“, sagt Pfau. Um die Miniaturisierung dieser Zelle voranzutreiben, arbeiten die Physiker seit einiger Zeit eng mit Ingenieuren der Elektrotechnik um die Professoren Norbert Frühauf und Jens Anders in Stuttgart zusammen.

Frühauf, Leiter des Instituts für Großflächige Mikroelektronik und Experte für hochauflösende Bildschirmtechnologie, hatte frühzeitig die Idee, die für das Auslesen des Stroms benötigte Elektronik direkt in die Rydberg ­Gaszelle zu integrieren, um auf diese Weise einen kompakten Sensor zu erzeugen. Anders, der das Institut für Intelligente Sensorik leitet, beschäftigt sich seit längerem mit dem Entwurf hochempfindlicher und vor allem schneller Stromausleseschaltungen. Anders und seine Arbeitsgruppe bedienen sich für den Entwurf ihrer Elektronik sogenannter CMOS ­Halbleitertechnologien, also der Technologien, die auch für die Hauptprozessoren in Computern zum Einsatz kommen. So benötigt die Elektronik nur noch einen winzigen Bruchteil der Fläche der sperrigen Elektronik, wie sie derzeit am 5. Physikalischen Institut zum Einsatz kommt. Und eignet sich folglich hervorragend für die angestrebte Miniaturisierung der Zellen. Aktuell geht es den Ingenieuren darum, die Elektro nik noch rauschärmer zu machen. Auf diese Weise könnte eine Empfindlichkeit von Teilen pro Billion erreicht werden, das ist jener Bereich, der für die exakte Atemgasanalyse relevant ist. Dann könnte es die Elektronik mit der Hundenase aufnehmen, oder sie sogar übertreffen. Da die Mikrochips – gerade auch bei größeren Stückzahlen – extrem günstig zu fertigen sind, ist der von Pfau, Frühauf und Anders verfolgte Ansatz auf lange Sicht sehr vielversprechend für eine Kommerzialisierung. Vorerst ist es den drei Wissenschaftlern gelungen, den ersten Prototyp einer bereits deutlich verkleinerten Rydberg ­Gaszelle zu entwerfen.

Susanne Roeder

Dieses Bild zeigt Mayer-Grenu
 

Andrea Mayer-Grenu

Wissenschaftsreferentin; Forschungspublikationen