Spürhunde sind wahre Meister im Erschnüffeln von Rauschgiften oder Sprengstoffen. Von allen Lebewesen haben sie den feinsten Geruchssinn. Dafür sorgen die rund 220 Millionen Riechzellen der Nase, die noch geringste Mengen von Duftmolekülen wahrnehmen und erkennen können. Im Vergleich dazu besitzt das Herrchen eines Spürhundes nur etwa fünf Millionen Riechzellen. Kein technisches Gerät kann es bislang mit den Vierbeinern aufnehmen. Aber zumindest beim Aufspüren des hochexplosiven Sprengstoffs Trinitrotoluol (TNT), der zu militärischen Zwecken, aber auch im Straßen- oder Tunnelbau verwendet wird, könnte den Spürhunden nun ernsthafte Konkurrenz drohen. Amerikanische Wissenschaftler haben einen kompakten Sensor speziell für TNT entwickelt, der offenbar so empfindlich ist, daß er es durchaus mit dem Geruchssinn eines Spürhundes aufnehmen kann.

Das Herzstück des Winzlings besteht aus einer frei schwingenden Blattfeder von einigen hundert Mikrometer Länge, die mit einem Piezokristall verbunden ist. Zum Aufspüren von TNT wird der feine Balken in schnelle Oszillationen versetzt. Haben sich nun Trinitrotoluol-Moleküle auf dem Balken abgelagert, ändert sich sein Schwingungsverhalten. Die damit verbundene Frequenzänderung wird vom Piezokristall in entsprechende Spannungspulse umgewandelt, die wiederum von einem Computer verarbeitet werden. Zusätzlich wird das brisante Material mit Spannungsimpulsen über den Zündungspunkt hinaus erhitzt. Dadurch kommt es auf dem oszillierenden Balken zu einer kleinen, lokal begrenzten Explosion, die man sogar mit einer Hochgeschwindigkeits-Videokamera festhalten kann. Die angelegten Spannungspulse, die Temperatur und das Schwingungsverhalten der Blattfeder liefern letztlich den Fingerabdruck für TNT.

70 Pikogramm TNT aufspürbar

Wie Jesse D. Adams von der University of Nevada in Reno und seine Kollegen in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift "Nature" (Bd. 425, S. 474) berichten, können sie mit ihrem Sensor derzeit Substanzmengen von etwa 70 Pikogramm TNT nachweisen. Das entspricht etwa 1011 Molekülen. Der Sensor ist offenkundig recht stabil. So habe er bereits Hunderte von Miniaturexplosionen unbeschadet überstanden, erklären die Forscher. Zudem ist er aufgrund seiner Größe leicht zu transportieren und erheblich empfindlicher als vergleichbare Apparate. Es lassen sich mit ihm auch andere explosive Materialien aufspüren. Man muß dazu lediglich die Spannungspulse und die Heiztemperatur auf die entsprechende Probe abstimmen.

Der Nachweis von TNT erfolgt bislang auf elektrochemischem Wege oder mit radioaktiven Verfahren wie der Neutronen-Aktivierungsanalyse. Zunehmend setzten sich auch optische Techniken durch, die TNT-Moleküle aufgrund ihres charakteristischen Fluoreszenzlichts identifizieren. Doch sind viele Geräte nach wie vor viel zu unhandlich, zu teuer und teilweise nicht empfindlich genug. Der neuartige Sprengstoffsensor könnte nun eine echte Ergänzung darstellen. Doch wird man sich bei der Suche von Landminen oder bei der Kontrolle verdächtiger Personen auf Sprengstoff auch weiterhin auf den außergewöhnlichen Riecher von Spürhunden verlassen.

Ähnliche Anwendungen in der Molekularbiologie

Ähnliche Blattfeder-Sensoren werden seit einiger Zeit bereits in der Molekularbiologie zum Nachweis von Wirkstoffen verwendet. Dazu fixiert man beispielsweise Rezeptor-Moleküle auf den Federbalken. Bindet ein Wirkstoff-Molekül an den Rezeptor, wird der schwingende Balken in seiner Beweglichkeit behindert, wodurch sich die Schwingungsfrequenz ändert. Die Sensoren sind mittlerweile so empfindlich geworden, daß sich einzelne Moleküle und sogar Bindungskräfte zwischen Biomolekülen nachweisen lassen.