Damit Molkereien nicht mehr so viel Milch „auf Verdacht“ wegschütten müssen, können Bauern in naher Zukunft ihre Melkanlagen mit neuartigen Schnelltest-Sensoren ausrüsten. Entsprechende Mikrolabor-Chips entwickeln derzeit Fraunhofer-Ingenieure aus Dresden gemeinsam mit Chemnitzer und italienischen Kollegen im Zuge des EU-Forschungsprojektes „Moloko“.
Automatische Erkennung: Ist die Kuh gesund?
„Der erste Prototyp soll Anfang 2021 vorliegen“, kündigte Michael Törker vom Dresdner Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) an.
Die neuen optoplasmonischen „Augen“ sollen erkennen, ob die angezapfte Kuh zu viel Pestizide oder Antibiotika im Körper hat und ob sie gesund ist. Zudem beurteilen die Mikrochips in Echtzeit anhand spezieller Proteine, welche Qualität die gewonnene Milch hat – ohne dass der Melker erst Proben ins Labor schicken muss. Bis zu sechs Inhaltsstoffe wird der Chip binnen fünf Minuten erkennen können.
Chip soll Verschwendung verringern
Bisher waren solche Tests sehr langwierig. Zudem analysieren Labore meist Proben aus Mischtanks von mehreren Milchviehbetrieben. Sprich: War die Milch von auch nur einer Kuh verunreinigt, musste der Inhalt des ganzen Tanks entsorgt werden. Der Moloko-Chip soll diese Verschwendung nun verringern. Zudem soll er das Risiko mindern, dass kontaminierte Milch doch irgendwie auf dem Esstisch landet.
„Neben den gewonnenen Informationen zur Milch erlauben die gemessenen Parameter auch Rückschlüsse auf die Gesundheit jeder einzelnen Kuh“, betonte Andreas Morschhauser vom Fraunhofer-Institut Enas Chemnitz. „So lassen sich frühzeitig Infektionen erkennen und behandeln. Eine solche frühzeitige Behandlung kann zu einem umsichtigen Einsatz von Antibiotika und damit auch zu deren Reduzierung beitragen.“
Für ihr innovatives Frühwarnsystem kombinieren die Wissenschaftler mehrere neue Technologien und setzen dabei auf exotische physikalische Effekte. Das Enas aus Chemnitz konstruiert dafür einen Laborchip mit winzigen Pumpen und Miniröhrchen. Die Dresdner FEP-Ingenieure steuern Licht-Erkenner aus organischen Stoffen bei. Aus Bologna und Pavia kommen organisch leuchtende Minischalter (OLET) und Spezialgitter, die die Italiener mit einer speziellen Nanostruktur graviert haben.
Der Chip ist sogar wiederverwendbar
Das Konzept des Moloko-Systems: Die Milch fließt auf dem Weg von der Kuh zum Tank durch den Laborchip und passiert dabei das Gitter. An diesem Gitter hängen Antikörper. Das sind komplexe organische Moleküle, die auch unser Körper zur Krankheitsbekämpfung einsetzt. Ihre Besonderheit: Sie haben so etwas wie „lose Enden“, an die sich nur ein genau passendes anderes Molekül anheften kann. Und so sind auch die Antikörper am Gitter darauf vorbereitet, beispielsweise Antibiotika, Pilzgifte oder spezielle Qualitätsproteine aus dem Milchfluss herauszufischen – diese „Zielmoleküle“ lagern sich dann ans Gittermetall an – wie an einen verklebten Eierschneider.
Derweil durchleuchtet ein daneben montierter organischer Transistor alles, was da angeschwemmt wird. Solange die Gitterstäbe sauber sind, empfängt der Sensor ein recht regelmäßiges Licht-Schatten-Muster, wie man es aus Beugungsexperimenten vom Physik-Unterricht kennt. Fangen die Antikörper jedoch Gifte oder andere Zielstoffe ein, verändern sich auf ganz bestimmte Art und Weise das Beugungsmuster – je nach den angepappten Molekülen. Und dadurch kann eine Auswerte-Elektronik erkennen, welche Stoffe in der Milch mitschwimmen.
Messungen sind schnell und präzise
Als zusätzliche Raffinesse durchleuchtet das System auch die Stellen im Milchfluss, die es eigentlich nicht „sehen“ kann. Dabei nutzt es den Umstand aus, dass die Elektronen im Gittermetall manchmal im Gleichschritt marschieren. Diesen Zustand bezeichnet man als „Plasmon“, weil sich die Elektronen in diesem Moment wie ein einziges Plasma-Teilchen verhalten. Dieser Effekt macht besonders schnelle und sehr präzise Messungen möglich.
Ist eine Ladung durchleuchtet, flutet dann eine spezielle Chemikalie den Laborchip, löst die Gifte von den Anti-Körpern – und dann geht alles wieder von vorne los. Der neue Chip ist daher – ganz im Sinne der Nachhaltigkeit – auch wiederverwendbar.
Von Heiko Weckbrodt
