Brasilianer entwickeln Sensoren auf 3D-bedruckten Blättern

Forscher der Bundesuniversität von São Carlos (UFSCar) und der Universität von São Paulo (USP) arbeiten an der Entwicklung von elektrochemischen Sensoren, die durch 3D-Druck auf gefallene Blätter angebracht werden.

Geleitet wird die Forschung in Partnerschaft von Bruno Janegitz, Professor an der UFSCar und Leiter des Labors für Sensoren, Nanomedizin und nanostrukturierte Materialien, sowie Thiago Paixão, Professor an der USP und Leiter des Labors für elektronische Sprachen und chemische Sensoren. Die Forschung wurde von Fapesp unterstützt und im Februar 2024 in einem Artikel in der Zeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering veröffentlicht.

Um die Anwendungsmöglichkeiten der Sensoren zu demonstrieren, setzten die Forscher sie erfolgreich zum Nachweis von Dopamin und Paracetamol in biologischen und pharmazeutischen Proben ein.

„Wir haben einen Kohlendioxidlaser verwendet, um das gewünschte Design durch Pyrolyse und Karbonisierung auf ein Blatt zu drucken. So erhielten wir einen elektrochemischen Sensor zur Bestimmung der Dopamin- und Paracetamolwerte. Die Bedienung ist sehr einfach: Ein Tropfen der Lösung, die eine der Verbindungen enthält, wird auf den Sensor gegeben, um die Konzentration anzuzeigen“, erklärt Janegitz.

Das vorgestellte Verfahren nutzt einen Laserstrahl, um das Blatt zu verbrennen und die Zellulose in Graphit zu verwandeln – ein Format, das sich sehr gut als Sensor eignet. Während des Prozesses werden die Parameter des Kohlendioxidlasers (CO2) – wie Leistung, Pyrolyse-Scanrate und Scanintervall – systematisch angepasst, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

„Die Sensoren wurden durch morphologische und physikochemische Methoden charakterisiert, um die neue karbonisierte Oberfläche der Blätter umfassend zu nutzen“, fügt Janegitz hinzu.

Laut den Forschern wurde die Anwendbarkeit der Sensoren durch Tests bestätigt, die auch den Nachweis von Dopamin und Paracetamol in biologischen und pharmazeutischen Proben umfassten. Im Fall von Dopamin erwies sich das System als effizient im Bereich zwischen 10 und 1.200 Mikromol pro Liter, mit einer Nachweisgrenze von 1,1 Mikromol pro Liter. Bei Paracetamol funktionierte das System in einem Bereich von 5 und 100 Mikromol pro Liter, mit einer Nachweisgrenze von 0,76.

In den Tests zeigten die elektrochemischen Sensoren eine zufriedenstellende, analytische Leistung und bemerkenswerte Reproduzierbarkeit. Die Studie betont das Potenzial der nachhaltigen Alternative: Im Vergleich zu herkömmlichen Substraten hat das natürliche Material eine deutlich bessere Kosten- und Umweltbilanz.

„Die verwendeten Blätter wären verbrannt oder bestenfalls kompostiert worden. Stattdessen wurden sie als Grundlage für hochwertige Geräte genutzt. Dies ist ein großer Durchbruch für die Herstellung von elektrochemischen Sensoren“, betont Janegitz.

Ein wachsender Markt

Laut den Daten von Precedence Research wird der weltweite Markt für elektrochemische Sensoren bis 2032 voraussichtlich rund 29,1 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer jährlichen Wachstumsrate von 6,32 % zwischen 2023 und 2032.

Den Forschungsergebnissen zufolge spielen elektrochemische Sensoren eine wesentliche Rolle beim Nachweis von giftigen Gasen. Sie sind einfach zu entwickeln, kostengünstig und können auf verschiedene Klassen von Schadgasen reagieren. Generell haben die elektrochemischen Sensoren eine Lebensdauer von sechs Monaten bis zu einem Jahr, abhängig von den nachgewiesenen Gasen und der Umgebung.

Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, Spezifität und der schnellen Analysefähigkeit werden die elektrochemischen Biosensoren auch im Gesundheitssektor eingesetzt. So wurden beispielsweise bereits papierbasierte elektrochemische Sensoren eingesetzt, um COVID-19 in weniger als fünf Minuten nachzuweisen.

Precedence Research zufolge sind die treibenden Faktoren für den Marktwachstum die steigende Nachfrage nach Sicherheit und die Echtzeitüberwachung chemischer Prozesse. Dazu kommt noch das Aufkommen von nanotechnologiebasierten Biosensoren mit besserer Leistung und erhöhter Empfindlichkeit.