Hybrid-Nanogeräte zur Ionenerkennung
Wasser ist weltweit ein knappes Gut, daher besteht steigender Bedarf an kostengünstigen und schnellen Verfahren zur Erkennung von Schadstoffen. Auch in der klinischen Diagnostik werden innovative, kostengünstige Technologien zur Elektrolytanalyse benötigt, welche in Notfällen zur schnellen Diagnosestellung eingesetzt werden können. Um Fortschritte auf diesem Gebiet zu erzielen, wurden im Rahmen des Projekts "Hybrid molecule-nanocrystal assemblies for photonic and electronic sensing applications" (HYSENS) funktionelle Moleküle und anorganische Nanokristalle in neuartige intelligente Materialien umgewandelt, mit denen der Ionengehalt in Wasser und in den Matrizen künstlichen Serums präzise bestimmt werden kann. Das Projekt mündete in drei Patentanträge, 38 durch Experten geprüfte Veröffentlichungen und 5 Dissertationen und kann somit als voller Erfolg gewertet werden. Wenn bedeutende Ionen genauer, kosteneffizienter und schneller entdeckt werden können, ist zu erwarten, dass sich dies auf die Vor-Ort-Diagnostik – sei es in der Praxis oder bei Hausbesuchen – ebenso stark auswirken wird wie auf Labor- und Umweltschutzanwendungen. Im Projekt wurden organische Liganden so manipuliert, dass sie Ankergruppen aufwiesen, die sich an anorganische Nanokristalle und funktionelle Gruppen binden und mit diesen selektive Ionenkomplexe bilden. Die Bildung dieser Komplexe (die Auffindung der Ionen) wurde durch die anorganischen Nanokristalle übermittelt und konnte optisch oder elektrisch ausgelesen werden. Vier verschiedene Klassen von Hybridstrukturen aus anorganischen und organischen Molekülen wurden hergestellt und charakterisiert. Es gelang den Projektpartnern, optische Ausleseverfahren in Wasser und Serum erfolgreich durchzuführen. Mit Lumineszenzverfahren konnte eine hohe Affinität für Schwermetallionen von Blei (Pb2+) und Kupfer (Cu2+) nachgewiesen werden, wobei die Nachweisgrenze bei unter 10 bzw. unter 1 Mikrogramm/Liter lag. Ebenso festgestellt wurden Natriumionen (Na+), deren Nachweisgrenze im Bereich von Milligramm/Liter liegt. Mit den Messverfahren, welche auf Veränderungen der Streuintensität anorganischer Nanopartikel beruhten, konnte eine erhöhte Empfindlichkeit für Quecksilber- (Hg2+) und Kupferionen (Cu2+) nachgewiesen werden. Das Team stellte einen optischen Sensor mit integriertem optischem Fühler zur Messung von Fluoreszenzrate und Streuintensität her. Die elektrischen Messungen waren ebenso erfolgreich. Die elektrochemische Erkennung von Kalium (K+) im Millimol-Bereich konnte durch den Einsatz eines organischen elektrochemischen Transistors, welcher nur den Durchstrom bestimmter Ionen erlaubte, umgesetzt werden. Zur Ermittlung der Natriumionen mit einer Nachweisgrenze von 100 Mikrogramm/Liter kamen Feldeffekttransistoren (FETs) mit Nanodrähten aus Silizium zum Einsatz. Durch Integration der mit Siliziumnanodrähten ausgestatteten FETs in mikrofluidische Flusszellen konnte die Messung des Na+- und Fluorid (F-)-Ionengehalts in Wasser und Serum parallel durchgeführt werden. Der Großteil der Forschungsarbeit zu organisch-anorganischen Nanohybridsystemen wird derzeit in den USA geleistet, doch auch in Asien wird vermehrt auf diesem Gebiet geforscht. Das HYSEN-Projekt wird somit zur Stärkung von Europas Marktposition beitragen und auf lange Sicht bedeutenden Nutzen in den Bereichen Gesundheit und Umweltschutz haben.
Schlüsselbegriffe
Hybrid-Nanogeräte, Ionenerkennung, Nanokristallanordnungen, photonisch, elektronische Erkennung
