Biosensorik: eine papierbasierte Plattform zum Drogennachweis
Ausrangierte Elektronikgeräte bilden eine schnell wachsende Abfallquelle, und etwa die Hälfte des Kunststoffabfalls aus Elektro- und Elektronikgeräten wird in der Europäischen Union (EU) nicht ordnungsgemäß oder überhaupt nicht recycelt. An papierbasierter Elektronik wird aktiv geforscht, und die ersten Produkte kommen auf den Markt. Die Oberflächeneigenschaften von herkömmlichem Papier sind jedoch für gedruckte Elektronik nicht geeignet. In der Regel sind Kunststoffbeschichtungen erforderlich, wodurch sich die erzielten Vorteile deutlich verringern. Zellulose, ein Hauptbestandteil der Zellwände grüner Pflanzen und eines der in der Natur am häufigsten vorkommenden Polymere, könnte der Schlüssel zu Elektronik auf Papierbasis sein. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts GREENSENSE wurden Folien, Beschichtungen und Tinten auf Nanozellulosebasis sowie halbautomatische Herstellungsverfahren entwickelt, die zu neuartigen zellulosebasierten Biosensorikplattformen für die Analyse von Suchtstoffen führen. Das 17-köpfige GREENSENSE-Gemeinschaftsunternehmen mit Beteiligten aus sechs EU-Ländern, Israel, Jordanien und dem Vereinigten Königreich vereinte Fachwissen aus den Bereichen Werkstoffkunde, Physik, Biochemie und Elektronik. Es unterstützte das Team dabei, sich nicht nur auf die Werkstoffe und Verfahren zur Herstellung von nanozellbasierter Elektronik zu konzentrieren, sondern auch auf die Einhaltung internationaler Normen für gedruckte Elektronik und auf die Fähigkeit, alle Prozesse für die gewerbliche Produktion hochzuskalieren.
Folien auf Nanozellulosebasis, beschichtete Pappe, Druckfarben und elektronische Komponenten
Das Gemeinschaftsunternehmen produzierte verschiedene Arten funktionalisierter Zellulosenanofasern und Zellulosenanokristalle mit einem Produktionspotenzial von mehreren Tonnen pro Jahr. Aus diesen Werkstoffen wurden freitragende Nanozellulosefolien und mit Nanozellulose beschichtete Kartons im Großmaßstab hergestellt und deren Eigenschaften charakterisiert. Das Team stellte zudem eine Reihe von Tinten auf Nanozellulosebasis (leitfähig, elektrochemisch und elektrolytisch für elektrochrome Displays und Energiespeicheranwendungen) mit bis zu 50 Kilogramm/Partie her. Die Tinten wurden gemäß den internationalen Normen für gedruckte Elektronik (IEC 62899) charakterisiert. „Wir haben unsere auf nanozellulosebasierten Werkstoffe und Produktionsverfahren für die Gestaltung und die Herstellung hochleistungsfähiger gedruckter elektronischer Komponenten genutzt: für die Nahfeldkommunikation geeignete Antennen, Superkondensatoren, Primärbatterien und elektrochrome Displays. Es wurden mehr als 1 500 Stück hergestellt“, bemerkt Projektkoordinatorin Sandra Martínez-Crespiera von Leitat.
Nanozellulosebasierte Biosensoren und Sensorikplattformen
Die Arbeit an Werkstoffen, Komponenten und Prozessen auf Nanozellulosebasis unterstützte die Entwicklung von Biosensoren zum Drogennachweis mit einer redoxaktiven Tinte (sie kann in Redoxreaktionen Elektronen aufnehmen oder abgeben, was die elektrochemische Erkennung unterstützt) und einem Hydrogel. Die analytische Leistung der Biosensoren wurde durch strenge Tests bestätigt. „GREENSENSE entwarf einen Mikrochip mit Schnittstellen für den zellulosebasierten Biosensor, das Energiemanagement und einen Tag zur Radiofrequenz-Identifizierung. Dazu gehörte auch die Möglichkeit der Energiegewinnung zum Aufladen angeschlossener Energiespeichersysteme und Displays. Die Biosensoren wurden in Biosensorikplattformen integriert, die in großem Maßstab (bis zu 75 Einheiten) in halbautomatischen Verfahren auf Substraten von etwa 300 x 350 mm2 (8 Plattformen/Folie) hergestellt wurden“, erklärt Martínez. Die Plattformen wurden mechanischen, Haftungs- und Alterungstests nach internationalen Normen (IEC 62951) unterzogen, und es wurde eine einfach bedienbare Smartphone-Anwendung realisiert. Martínez fasst zusammen: „Im Gegensatz zu herkömmlichen, aus Kunststoff hergestellten Sets für die qualitative Urinanalyse verwendet die tragbare Biosensorikplattform GREENSENSE für Drogennachweise Elektronik und Tinten auf Nanozellulosebasis und speichert numerische Daten. Die Plattformen werden uns unterstützen, illegale und potenziell gefährliche Verhaltensweisen besser zu überwachen, sei es für die Strafverfolgungsbehörden oder in Privathaushalten und Schulen, indem wir ein recycelbares Stück Papier verwenden.“
Schlüsselbegriffe
GREENSENSE, Nanozellulose, Zellulose, gedruckte Elektronik, Biosensoren, Drogenmissbrauch, Elektro- und Elektronikaltgeräte, elektrochemische Sensoren