Wann wird zu viel des Guten zum Schlechten? Das ist die Frage Jonathan Claußen, Assistenzprofessor bei Fakultät für Maschinenbau der Iowa State University, und sein Forscherteam wollen Landwirten helfen, Fragen zum Einsatz von Pestiziden zu beantworten. Eine zu geringe Nutzung kann die Ernten der Landwirte schädigen, während eine übermäßige Nutzung zu einem Abfluss in den Boden oder in Gewässer führen kann.
Claussen und sein Team entwickelten einen flexiblen, kostengünstigen und wegwerfbaren Biosensor, der Pestizide im Boden nachweisen kann. Dieser Biosensor besteht aus Graphen, einem starken und stabilen Nanopartikel, und liefert ein sofortiges Feedback, im Gegensatz zu dem Zeit- und Geldaufwand, der sonst erforderlich wäre, um eine Probe an ein Labor zu schicken und auf die Ergebnisse zu warten.
Nationales Institut für Ernährung und Landwirtschaft des USDA unterstützte das Projekt mit einem Landwirtschafts- und Lebensmittelforschungsinitiative Zuschuss im Rahmen der Nanotechnologie-Programm.
Der Biosensor wird hergestellt, indem zunächst Graphen-Tinte auf Papier gedruckt wird. Ein Laser fährt dann über die Tinte, um ihre elektrische Leitfähigkeit zu verbessern, indem Flocken der Graphentinte zusammengeschweißt werden, wodurch eine nanostrukturierte Oberfläche entsteht, die dreidimensional ist.
„Die Flocken sehen fast aus wie Rosenblätter, die von der Oberfläche des Papiers aufsteigen“, sagte Claussen. „Sie bilden das Grundmaterial, um den Boden zu testen.“
Dazu wird der Biosensor in eine Aufschlämmung aus Erde und Wasser getaucht. Es wird dann an ein elektrochemisches Lesegerät im Feld angeschlossen, um es auf Pestizide zu testen.
„Das ist wie ein pH-Teststreifen“, sagt Claussen. Testergebnisse können Landwirten helfen, schnell zu verstehen, wie viel Pestizide benötigt werden, um gesunde Pflanzen zu erhalten und Umweltschäden zu minimieren. Außerdem können die Ergebnisse den Landwirten helfen zu verstehen, wo eine Umweltsanierung erforderlich sein kann, wenn ein übermäßiger Einsatz von Pestiziden offensichtlich ist.
Der Biosensor hat ein großes Potenzial für den Einsatz außerhalb der Landwirtschaft. Seine Eigenschaften können zur Verwendung in den Bereichen Biomedizin, Umwelt oder Lebensmittelsicherheit umgewandelt werden, indem einfach die darauf immobilisierten biologischen Komponenten ausgetauscht werden.
„Was mich an diesem Projekt am meisten fasziniert, ist die reale Wirkung, die es erzielen kann“, sagte Claussen. „Die Graphen-Sensoren erfordern keine Verwendung von Edelmetallen, die normalerweise verwendet werden, um die Leistung von elektrochemischen Sensoren zu steigern. Daher könnte [diese] Technologie wirklich von der Masse für flexible/kostengünstige Elektronik und Sensoren verwendet werden.“
— Selina Meiners, Nationales Institut für Ernährung und Landwirtschaft
Quelle: USDA-Blog