Zuverlässiger Nachweis hochtoxischer Gase: Forschungsprojekt ProtecKD will Schutz von Einsatzkräften verbessern

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Ob bei Chemieunfällen, Altlasten oder dem Einsatz chemischer Kampfstoffe:
Gefährliche Gase müssen schnell und zuverlässig erkannt werden. Was bisher
nur aufwendig oder zu ungenau möglich ist, soll durch spezifisch designte
Materialien in Zukunft einfach und zuverlässig vor Ort durchgeführt
werden. Im Forschungsprojekt ProtecKD entwickeln das Fraunhofer-Institut
für Silicatforschung ISC und seine Partner ein neuartiges Sensorsystem auf
Basis biohybrider Materialien. Damit sollen Einsatzkräfte Gefahrenlagen
künftig schneller und präziser bewerten können. Das Projekt wird vom
Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR)
gefördert.

Im Einsatz gegen gefährliche Gase und Kampfstoffe wie Sarin, S-Lost oder
Chlorpikrin müssen Einsatzkräfte diese Gefahrstoffe schnell und sicher
erkennen können. Bereits geringste Konzentrationen können schwere
gesundheitliche Schäden verursachen oder tödlich wirken. Ihr schneller,
einfacher und zuverlässiger Nachweis ist daher entscheidend für die
Sicherheit von Einsatzkräften und Bevölkerung. Bisher verfügbare Verfahren
für die Analyse im Einsatz vor Ort sind oft ungenau oder unpraktikabel.
Präzisere und zuverlässigere Verfahren sind aufwendig oder nur in
Speziallaboren möglich. Eine zuverlässige Bewertung der Gefahr während des
Einsatzes ist deshalb schwierig.

Biohybride Sensormaterialien für den schnellen Vor-Ort-Nachweis

Im Forschungsprojekt ProtecKD arbeiten die Partner an einem kleinen
mobilen Handgerät, das die hochtoxischen Gase mit neuartigen biohybriden
Materialien direkt und schnell nachweisen kann. Neu am ProtecKD-Konzept
ist die Kombination von biologischen Erkennungseinheiten mit anorganischen
Nanopartikeln, die stabile, hochfunktionale Mikropartikel ergeben. Sie
vereinen die Eigenschaften nanoskaliger Materialien mit einer deutlich
einfacheren Handhabung. Das Fraunhofer ISC bringt hier seine langjährige
Expertise bei der Entwicklung von Partikeln ein, deren Oberflächen gezielt
funktionalisiert, das heißt für bestimmte Aufgaben angepasst werden.

Teamarbeit für mehr Sicherheit

Im Projektteam arbeiten vier Forschungseinrichtungen und Unternehmen eng
zusammen: Projektkoordinator Fraunhofer ISC, JPT Peptide Technologies, das
Wehrwissenschaftliche Institut für Schutztechnologien – ABC-Schutz (WIS)
und die Noxoon GmbH.

Im Fraunhofer ISC werden Trägerpartikel aus Siliciumdioxid synthetisiert,
einem auch in der Natur häufig vorkommenden Mineral – z. B. in Sand, und
mit speziellen Eiweißmolekülen, sogenannten Peptiden kombiniert. Diese
Eiweiße werden auf der speziell funktionalisierten Partikeloberfläche
fixiert und reagieren gezielt auf bestimmte Gase mit Fluoreszenz, sie
senden Licht aus. Damit wird ein biohybrides Material erzeugt. Für die
Synthese dieser selektiven Peptide sorgt Projektpartner JPT. Da
verschiedene Peptide eingesetzt werden, die spezifisch auf
unterschiedliche Gase reagieren, lassen sich so mehrere Sensorfelder auf
einem miniaturisierten Analysesystem im Chipformat (Lab-on-a-Chip)
herstellen. Projektpartner Noxoon ist für die Entwicklung und Herstellung
des Detektionsgeräts verantwortlich, in dem alle Komponenten kombiniert
werden. Die Charakterisierung der synthetisierten Komponenten und die
Tests mit verschiedenen Kampf- und Gefahrstoffen unter realitätsnahen
Bedingungen werden bei Projektpartner WIS durchgeführt.

Ziel: Einfache Handhabung und Nutzung

Der biohybride Sensorchip wird in das Detektionsgerät eingesetzt. Die
optische Messung sowie die automatische Auswertung erfolgen direkt im
Detektionsgerät und sollen Einsatzkräften innerhalb kurzer Zeit belastbare
Ergebnisse liefern. Empfindliche Detektoren erfassen die
Fluoreszenzänderungen, die Signale werden mit selbstlernenden Algorithmen
ausgewertet und zeigen dem Nutzer unmittelbar die detektierte Gasart und
zugehörige Warninformationen an. Damit soll das handliche Detektionsgerät
eine schnelle und zuverlässige Unterstützung im mobilen Einsatz werden.

Ein wesentlicher Vorteil des Konzepts besteht darin, dass die chemisch
gezielt designten Peptide sehr selektiv und präzise auf bestimmte Gase und
Kampfstoffe ansprechen. Aufgrund der optimierten Sensorgeometrie des Lab-
on-a-Chip Systems können diese mit sehr hoher Empfindlichkeit nachgewiesen
werden. So sollen schon geringste Mengen zuverlässig detektiert und
bewertet werden können.

Ein weiterer Vorteil ist die durchgängige Digitalisierung. Alle Material-
und Messdaten werden in maschinenlesbarer Form erfasst und gespeichert.
ProtecKD ist an die Initiative „Material digital“ des BMFTR angekoppelt.
Für die lückenlose Digitalisierung der Materialdaten sorgt das Fraunhofer
ISC mit seinem „Material digital“-Know-how.

Besserer Schutz für Einsatzkräfte und Bevölkerung

Die schnelle und verlässliche Erkennung von hochtoxischen Chemikalien kann
die Reaktionszeiten erheblich verkürzen. Einsatzkräfte können
Schutzmaßnahmen gezielter einleiten, Gefahrenlagen fundierter bewerten und
unnötige Sperrungen oder Evakuierungen vermeiden. So lassen sich Personal-
und Materialressourcen effizienter einsetzen.

Auch auf andere Anwendungsfelder übertragbar

Was für die extremen Anforderungen des Einsatzes gegen gefährliche Gase
und Kampfstoffe funktioniert, kann auch für andere Einsatzgebiete
weiterentwickelt werden. Denkbar sind für das Projektkonsortium
beispielsweise Umweltüberwachung, industrielle Sicherheit bei Einsatz und
Lagerung von Industriechemikalien, pharmazeutischen Wirkstoffen oder
Explosivstoffen. ProtecKD könnte so zur Stärkung der internationalen
Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands im Bereich der Sicherheitstechnologien
beitragen.

Projektinformation
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ProtecKD – Protein Fragmente zur chemischen Kampfstoff Detektion
Laufzeit: 07/2026 – 06/2029
Förderkennzeichen: 13XPM518A
Gefördert vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt
(BMFTR) im Rahmen des Programms „MaterialVital – Materialinnovationen für
ein gutes und sicheres Leben“

Projektpartner: Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC
(Projektkoordinator), JPT Peptide Technologies GmbH,
Wehrwissenschaftliches Institut für Schutztechnologien - ABC-Schutz (WIS),
Noxoon GmbH