Sensortechnik - Experten-Interview

Interview mit Udo Weimar

Sensoren messen Beschleunigungen, Gaskonzentrationen oder den Druck im Autoreifen. Was werden sie in Zukunft können?

Weimar: Sensoren werden deutlich besser als heute Chemikalien und Moleküle wahrnehmen können. Das halte ich für die größte Herausforderung bei der Entwicklung der Messfühler, denn grob geschätzt gibt es eine Milliarde verschiedener chemischer Substanzen. Letztlich müsste man für jede einen eigenen Sensor entwickeln.

Muss man denn all diese Substanzen nachweisen?

Weimar: Selbstverständlich nicht. Problematisch ist aber, dass man häufig gar nicht weiß, was man nachweisen soll. Röstkaffee-Duft enthält ungefähr 1500 Substanzen, die das Aroma beeinflussen. Doch bislang kennt man nur einen Teil der Moleküle, die für den würzigen Geschmack entscheidend sind. Die Frage ist, was eigentlich im Gehirn Geruch und Geschmack verursacht. Als Entwickler chemischer Sensoren auf diesem Gebiet forscht man daher sozusagen in einer explodierten Apotheke, in der man die richtige Chemikalie finden muss.

Und wie baut man den passenden Sensor?

Weimar: Entscheidend ist es, eine sensitive Schicht zu finden, die eine hohe Affinität zur Zielsubstanz hat, damit diese auch tatsächlich eingefangen wird. Aromatische Verbindungen oder biologische Moleküle können beispielsweise an und in offenporigen organischen Schichten – etwa Polymeren – andocken. Dadurch ändert sich das Gewicht der Schicht. Das wiederum kann man etwa über einen empfindlichen Schwingquarz nachweisen. Die detektierte Substanz darf allerdings nicht zu fest an den Sensor binden. Sie muss sich wieder lösen, sobald die Konzentration in der Umgebung abnimmt. Das ist oftmals gar nicht so einfach. Biologische Moleküle müssen deshalb häufig abgewaschen werden. Bei Sensoren zur Messung physikalischer Parameter kennt man solche Probleme nicht in diesem Maße wie bei den biologischen oder chemischen Sensoren.

Ist die Entwicklung physikalischer Sensoren deshalb weniger kompliziert?

Weimar: Tatsache ist, dass es nur etwa 100 physikalische Parameter gibt – z.B. Beschleunigung, Temperatur oder Druck. Das ist überschaubar und konkret. Die Herausforderung sehe ich hier vor allem im Engineering, also darin, für jede Anwendung die ideale Konstruktion zu finden, die robust und dennoch sensitiv ist. Darüber hinaus sollen diese Sensoren immer kleiner und billiger werden. Die Entwickler von Chemosensoren hingegen haben unter anderem mit dem Problem der Querempfindlichkeit zu kämpfen – ein Sensor spricht auf verschiedene Substanzen an. So reagierten Erdgas-Sensoren lange Zeit nicht nur auf Methan, sondern gaben auch Alarm, wenn Dämpfe von Reinigungsbenzin die Luft erfüllten. Wir müssen deshalb Sensoren entwickeln, die besonders selektiv sind – also nur auf eine Substanz reagieren. Das lässt sich inzwischen recht gut mit Sensor-Arrays machen. Dabei werden Sensoren mit unterschiedlicher Affinität und Selektivität zusammengeschaltet. Über einen mathematischen Abgleich wird dann ermittelt, welche Substanz tatsächlich in der Luft enthalten ist.

Und welche Perspektiven sehen Sie für Biosensoren – etwa bei der Bekämpfung von Krankheiten?

Weimar: Sensoren, die durch die Blutbahn sausen und ihre Diagnose nach draußen funken, wird es meines Erachtens so schnell nicht geben. Nicht zuletzt deshalb, weil das Blut ein recht unangenehmes Milieu ist, das zum Beispiel leicht verklumpen kann. Sensoren zur Messung von Blutzucker außerhalb des Körpers sind hingegen längst Standard. Für spannender und auch vielversprechender halte ich die Aussicht, Krankheiten am Geruch zu erkennen. Den alten Alchemisten und auch Vertretern der traditionellen chinesischen Medizin wird nachgesagt, dass sie anhand des Körpergeruchs Krankheiten diagnostizieren können. Beispielsweise riechen Entzündungen der Atemwege ganz charakteristisch. Es ist durchaus vorstellbar, dass in Zukunft Sensoren eine Geruchsdiagnose durchführen. Doch zunächst müssen wir auch hier wieder die alte Frage klären: Was macht den charakteristischen Geruch aus? Welche Moleküle sind eigentlich dafür verantwortlich?

Das Interview führte Tim Schröder