Münster (mfm/nn) – Es ist eine Geißel des 21. Jahrhunderts: Mikroplastik. Die winzigen Kunststoffteilchen finden sich in Meeren, Flüssen und inzwischen auch in Lebensmitteln. Sie sind schwer nachzuweisen, stehen allerdings im Verdacht, Umwelt und Gesundheit zu belasten. US-amerikanische Forscher fanden sie gerade auffällig oft in Gewebeproben von Prostatakrebs-Patienten. Wie lässt sich Mikroplastik schnell und günstig erkennen? Das untersucht das Projekt „Spektrale Infrarot-Mikroskopie mit Quantenlicht zur mobilen Mikroplastik-Analyse (SIM-QPla)“. Das Verbundprojekt um Dr. Björn Kemper und Dr. Jürgen Schnekenburger vom Biomedizinischen Technologiezentrum (BMTZ) der Universität Münster setzt dabei auf Quantenlicht – ein Ansatz, den das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) für vielversprechend hält. Das Ministerium fördert das Verbundvorhaben SIM-QPla mit insgesamt 3,5 Millionen Euro, davon fließen rund 890.000 Euro nach Münster.

Das Projekt nutzt ein Phänomen der Quantenphysik: sogenannte verschränkte Photonen. Dabei entstehen aus einem Lichtteilchen zwei neue Photonen, die miteinander verbunden bleiben – selbst wenn sie sich in unterschiedliche Richtungen bewegen. Schnekenburger erklärt das Prinzip so: „Ein dunkelroter Laserstrahl trifft auf einen geheimnisvollen Kristall. Dieser verwandelt Lichtteilchen in zwei Photonen, die über ein unsichtbares Band miteinander verbunden bleiben. Obwohl sie getrennte Wege gehen, kann ein Teilchen über das jeweils andere ‚berichten‘.“ Für die experimentelle Erforschung solcher Quanteneffekte wurde 2022 der Physik-Nobelpreis vergeben.

Die verbundenen Photonen haben unterschiedliche Lichtwellenlängen. Das eine liegt im mittleren Infrarotbereich und durchdringt die Probe. Das zweite Photon hat eine kürzere Wellenlänge und wird von einem Detektor im fast sichtbaren Bereich gemessen. Über die Verbindung der beiden Photonen lassen sich so Informationen aus dem mittleren Infrarotbereich gewinnen. Genau dort hinterlassen viele Kunststoffe ihren chemischen „Fingerabdruck“. „Mit diesem Trick kann ein Großteil teurer und aufwändiger Optik für den langwelligen Bereich eingespart werden und lassen sich deutlich günstigere sowie kompakte Messgeräte in der Größe einer Schuhschachtel bauen“, freut sich Schnekenburger. 

Das Biomedizinische Technologiezentrum kooperiert mit drei Partnern in Berlin - der Humboldt-Universität, dem Ferdinand-Braun-Institut der Leibniz-Gesellschaft sowie dem Unternehmen eagleyard Toptica – und baut aus Optik-Modulen von diesen einen Prototypen des Quanten-Sensors. Kombiniert mit einem selbst konstruierten superflachen Kanal, durch den die Partikel zur Messung fließen, entsteht ein neues kompaktes Gerät zum Nachweis von Mikroplastik in Abwasser oder Lebensmitteln. Vervollständigt wird das neue System durch Künstliche Intelligenz (KI) vom münsterschen Software-Entwickler Thyssenkrupp pacemaker.ai. Die KI-Algorithmen finden Mikroplastikpartikel anhand von deren Infrarotspektren automatisiert in Schmutzwasserproben des Partners ALS Germany aus Altenberge. 

Die Forschenden haben inzwischen die wichtigsten technischen Hürden genommen. „Die größte Herausforderung war es, genügend verschränkte Photonen zu erzeugen und den Mikrokanal für die Infrarotmessung zu optimieren“, erläutert Dr. Björn Kemper vom BMTZ. Nun bereitet das Team den Testbetrieb des Systems im Nano-Bioanalytik-Zentrum Münster an der Mendelstraße vor.