Ein subkutaner Sensor mit einer Größe von 0,85 × 1,5 mm zur Überwachung der Alkoholkonzentration im Blut gegen eine Ein-Cent-Münze mit einem Durchmesser von 19 mm. Foto: David Baillot / UC San Diego Jacobs School of EngineeringDie kontinuierliche Überwachung der Blutalkoholkonzentration ist eine wichtige Aufgabe, deren Lösung Millionen von Menschenleben retten kann. Wenn die Überwachung automatisch mit drahtloser Datenübertragung erfolgt, kann ein solcher Sensor problemlos an das Fahrzeugsteuerungssystem angeschlossen werden - und eine Person mit einer Blutalkoholkonzentration über dem zulässigen Wert sitzt niemals hinter dem Steuer eines Fahrzeugs. Der Motor springt einfach nicht an.
Darüber hinaus können solche Sensoren auf Anfrage des Beförderers automatisch Informationen an Strafverfolgungsbehörden und Krankenwagen senden, um automatisch auf extreme Alkoholkonzentrationen zu reagieren. Es ist kein Geheimnis, dass ein erheblicher Teil der schweren Verbrechen und Selbstmorde im Rausch begangen wird. Eine solche Überwachung wird auch viele Leben retten.
Die Ingenieure der University of California in San Diego haben einen
implantierbaren Miniatur -
Biosensor mit extrem geringem Stromverbrauch entwickelt, der zur kontinuierlichen Langzeitüberwachung von Alkohol verwendet werden kann. Der Chip ist klein genug, um direkt unter der Hautoberfläche in den Körper implantiert zu werden, und wird von einem tragbaren drahtlosen Gerät angetrieben - beispielsweise einem Smartphone, einer Smartwatch oder einem anderen tragbaren Gerät.
Ein Miniatur-Mikroschaltkreis mit einer Größe von 0,85 × 1,5 mm benötigt zum Betrieb nur 970 Nanowatt. Die Datenübertragung erfolgt nach der
Rückstreumethode (Messzeit - nicht mehr als drei Sekunden). Im Prinzip kann eine so geringe Energiemenge direkt vom menschlichen Körper erzeugt werden: zum Beispiel durch Zersetzung von Zucker im Blut oder durch die Temperaturdifferenz zwischen den internen und externen Kreisläufen des Mikrokreises. Oder aus verschiedenen Hintergrundquellen: Vibration, Radiowellen usw. In diesem Fall haben die Entwickler jedoch den einfachsten Weg implementiert, um Energie von einem permanenten externen Sender zu erhalten, bei dem es sich um ein beliebiges elektronisches Gerät oder eine tragbare Elektronik handeln kann.
Der Sensor verglich sich mit der Kante einer Ein-Cent-Münze mit einer Dicke von 1,55 mm. Foto: David Baillot / UC San Diego Jacobs School of Engineering„Das ultimative Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines permanenten, unauffälligen Alkohol- und Drogenüberwachungsgeräts für Patienten in Drogenbehandlungsprogrammen“,
sagt Projektmanager Drew Hall, Professor für Elektrotechnik an der UC San Diego Jacobs School of Engineering. Drew Hall arbeitet auch mit
dem Wireless Center und
dem Wearable Sensor Center zusammen , die alle an der University of California in San Diego arbeiten.
Eines der Probleme für Patienten in Suchtbehandlungsprogrammen ist das Fehlen praktischer Instrumente zur kontinuierlichen Überwachung. Die gebräuchlichste Methode zur Messung des Blutalkoholspiegels sind derzeit Alkoholtester, eher ungeschickte Geräte. Um sie zu verwenden, müssen Sie Kontakt mit dem Patienten aufnehmen und ihn um Hilfe bitten, was nicht immer möglich und bequem ist. Darüber hinaus liefern Alkoholtester kein sehr genaues Ergebnis und können getäuscht werden. Eine Blutuntersuchung ist die genaueste Methode, muss jedoch von einem qualifizierten Spezialisten durchgeführt werden.
Als alternative Methode zur Messung des Alkoholgehalts im Blut wurde vorgeschlagen, spezielle Tätowierungen auf dem Körper mit eingebauten Alkoholsensoren zu verwenden, die jedoch nicht ohne Nachteile sind. Solche Tätowierungen sind leicht zu entfernen - und sie sind für den einmaligen Gebrauch bestimmt (dh die Tätowierungen selbst sind vorübergehend). Laut den Entwicklern des neuen Sensors ist die subkutane Injektion die zuverlässigste Option für eine langfristige und genaue Überwachung des Blutalkoholspiegels über viele Monate und Jahre.
Ein Injektionssensor im Vergleich zu einem Penny und der Spitze einer Biopsienadel mit einer Größe von 16 G (1,65 mm). Foto: David Baillot / UC San Diego Jacobs School of EngineeringEin Biosensorchip mit einem Volumen von etwa einem Kubikmillimeter wird unter die Haut in die interstitielle Flüssigkeit eingeführt, die die Körperzellen umgibt. Der Sensor ist mit
Alkoholoxidase beschichtet
(EC 1.1.3.13) . Dieses Enzym interagiert selektiv mit Alkohol und erzeugt Innereien, die elektrochemisch nachgewiesen werden können. Elektrische Signale werden drahtlos an ein benachbartes tragbares Gerät übertragen, beispielsweise eine Smartwatch, die auch als drahtlose Stromquelle für den Chip fungiert. Zwei zusätzliche Sensoren auf dem Chip messen Hintergrundsignale und pH-Werte, um die Alkoholkonzentrationswerte zu verfeinern. Ein Niederspannungsspannungsstabilisator verwendet amperometrische und potentiometrische Verfahren mit einer Empfindlichkeit von 2,5 Nanoamer bzw. 0,5 Millivolt.
Der Chip wurde bereits im Labor an einer Mischung aus Ethanol in verdünntem Humanserum unter Schweinehautschichten getestet. Jetzt planen Wissenschaftler, Experimente an lebenden Schweinen durchzuführen. Die Erfinder haben eine Patentanmeldung für diese Technologie eingereicht.
Der wissenschaftliche Artikel
„Ein injizierbarer BioMote mit mehreren Parametern unter 1 μW für die kontinuierliche Alkoholüberwachung“ wurde am 10. April 2018 auf der
IEEE Custom Integrated Circuits-Konferenz in San Diego vorgestellt.