Das von Wissenschaftlern in Malaysia und Thailand entwickelte Handgerät kann den Capsaicingehalt von Chilischoten in Echtzeit messen. Das mit Stickstoff dotierte Graphen-Gerät hat die Form einer Paprika und kann mit einem Smartphone verbunden werden. Der Artikel wurde in der Zeitschrift ACS Applied Nano Materials veröffentlicht.
Die Schärfe einer Paprika hängt stark von ihrem Capsaicin-Gehalt ab. Die Schärfe einer Paprika wird normalerweise auf der Scoville-Skala bewertet, einem amerikanischen Chemiker, der 1912 einen organoleptischen Test vorschlug, um die Schärfe von Paprika zu bestimmen. Ein organoleptischer Test kann nur subjektive Ergebnisse liefern, daher wurden später Daten über den Gehalt an Capsaicin durch Chromatographie, Kolorimetrie, Spektrophotometrie und Kapillarelektrophorese gewonnen. All diese Tests erfordern Labore mit teurer Ausrüstung und geschultem Personal. Außerdem müssen Proben für Tests in besonderer Weise vorbereitet werden.
In den letzten Jahren haben sich elektrochemische Sensoren zur Bestimmung des Capsaicingehalts in Proben durchgesetzt. Es wurden bereits Sensoren auf Basis von Graphenelektroden mit verschiedenen Dotierstoffen entwickelt, die eine hohe Empfindlichkeit und gute Genauigkeit gezeigt haben, aber ein vollwertiges verfügbares Gerät wurde nicht entwickelt.
Asamee Soleh von der Prince of Songkla University und Kollegen haben ein Gerät zur direkten Bestimmung des Capsaicingehalts in Proben entwickelt. Wissenschaftler haben den Körper des Geräts in Form einer Paprika in 3D gedruckt. Das Gehäuse enthält einen Potentiostaten, an den Sensor und USB angeschlossen sind, sowie Probenlöcher mit Filterschicht. Der Sensor basiert auf einem papierbasierten elektromechanischen Analysegerät (ePAD) für die Chromatographie. Der ePAD-Designprozess ist gut verstanden, für die Großserienproduktion geeignet und einfach und kostengünstig. So werden von einem Blatt A4-Papier für die Chromatographie 85 Kopien des ePAD erhalten. Der Papierträger enthält Elektroden aus mit Stickstoff dotierten Graphen-Nanoplättchen.
Illustration des Herstellungsverfahrens des ePAD-Sensors
Für das Gerät haben die Entwickler eine Android-Anwendung erstellt, die in zwei Modi funktioniert. Der erste Modus wurde für Forschungszwecke entwickelt, um Daten und Analysen zu optimieren und zeigt eine elektrochemische Charakterisierung basierend auf zyklischer Voltammetrie, differentieller Pulsvoltammetrie und Impedanzspektroskopie. Der zweite Modus ist für den praktischen Einsatz und die Bewertung der Schärfe echter Pfefferproben gedacht. Der Einfachheit halber kann die Anwendung Schärfe in Scoville-Einheiten anzeigen.
Die von dem Gerät erhaltenen Daten über den Gehalt an Capsaicin in den Testproben wurden mit den Daten der Spektrophotometrie verglichen. Der Unterschied in den gemessenen Daten erwies sich als unbedeutend. Das Gerät maß die Konzentration von Capsaicin in realen Proben im Bereich von 6,8 Mikromolar bis 93,2 Mikromolar mit einem Vertrauensniveau von 95 %.
Chilica-pod und Spektroskopie-Tabelle der Capsaicin-Ergebnisse für sechs verschiedene Chili-Proben
Den Entwicklern ist es bei ihrer Entwicklung gelungen, Benutzerfreundlichkeit, geringe Kosten, interessantes Design und vor allem das Fehlen strenger Anforderungen an die Probenvorbereitung zu realisieren.
Graphen als Sensor eignet sich übrigens nicht nur zur Bestimmung der Schärfe von Pfeffer, mit dessen Hilfe Wissenschaftler beispielsweise einen Schnelltest für COVID-19 erstellt haben.
