Nanosensoren

In den letzten Jahren haben sich bei der Suche nach neuen Materialen für den Einsatz in der Sensorik besonders Nanomaterialien als vielseitig einsetzbar erwiesen. Nanostrukturen befinden sich oft auf der gleichen Größenskala wie viele Biomoleküle und biologische Strukturen, was sie einerseits gut zugänglich für diese Moleküle macht und anderseits die Grundlage für Einzelmoleküldetektion darstellt. Außerdem lässt sich an ihnen der Quanten-Confinement-Effekt beobachten, der auftritt, wenn sich die Größe einer Nanostruktur oder eines Nanokristalls der Wellenlänge eines Elektrons annähert. Als Folge werden die optischen und elektrischen Eigenschaften des Nanomaterials abhängig von ihrer Größe und damit bis zu einem bestimmten Maß einstellbar.

Am Fraunhofer IMS forschen wir an diesen nanoskaligen Materialien im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit als Bausteine in biofunktionalen Sensoren. Besonders auf Kohlenstoff basierende Nanomaterialien haben einige dafür nützliche Eigenschaften. Beispielsweise haben sich Kohlenstoffnanoröhren als ideale Plattform für Nanosensoren erwiesen. Sie bestehen aus einer aufgerollten Einzelschicht Kohlenstoff (Graphen) mit nanoskaligem Querschnitt und werden daher oft als »eindimensionale Systeme« beschrieben. Durch die niedere Dimensionalität ergeben sich einzigartige physikalische Eigenschaften, beispielsweise können Elektronen nur entlang der Achse der Nanoröhren propagieren. Ihre optischen Eigenschaften, z. B. die Wellenlänge, bei der sie angeregt werden können oder Licht emittieren, lässt sich unter anderem über ihre Größe einstellen. Genauer gesagt stehen die Fluoreszenzeigenschaften in direktem Zusammenhang mit der Krümmung der Nanoröhren und damit ihrem Durchmesser. Außerdem beeinflusst der Winkel, in dem die Kohlenstoffschicht zu einer Röhre aufgerollt ist, die optischen Eigenschaften. Typischerweise haben die Röhren einen Durchmesser im Bereich von bis zu fünfzig Nanometern und eine Länge von einigen hundert Nanometern. Für gewöhnlich fluoreszieren die Nanoröhren im nahen Infrarot, einem Bereich des Lichts, der tiefer in Gewebe eindringen kann als sichtbares Licht. Außerdem sind sie aufgrund ihrer geringen Größe hochsensitiv für Veränderungen ihrer unmittelbaren Umgebung, was die Grundlage für eine Detektion auf molekularer Basis darstellt.

Zudem lassen sich die Nanoröhren wie eine Plattform modular verändern, sodass sie zu vielfältig einsetzbaren Nanosensor-Strukturen werden können. Sie lassen sich chemisch so modulieren, dass verschiedene Analyte an ihre sensitive Oberfläche binden können und dabei ihre optischen und elektrischen Eigenschaften reversibel verändern. So kann sich das Fluoreszenzverhalten, beispielsweise die Fluoreszenzintensität ändern, wenn die Nanoröhren auf bestimmte Moleküle in ihrer Umgebung treffen.

Aufgrund dieser Eigenschaft lassen sich aus Kohlenstoffnanoröhren Nanosensoren für eine ganze Palette nachzuweisender Strukturen herstellen: von einzelnen biologischen Signalmolekülen wie den Neurotransmittern Dopamin und Serotonin oder Indikatoren für oxidativen Stress in Pflanzen wie Wasserstoffperoxid bis hin zu Proteinen, Enzymen, Viren und Bakterien. Aufgrund ihrer hohen Sensitivität und weil die Detektion auf Ingangsetzung biochemischer Prozesse beruht und daher in Echtzeit erfolgt, kann man somit komplexe biologische und chemische Systeme auf eine völlig neue Weise erforschen. Ein Beispiel dafür ist die dynamische Abbildung einzelner aus Zellen freigesetzter chemischer Signalmoleküle mit höchster Zeit- und Ortsauflösung. (High-resolution imaging of cellular dopamine efflux using a fluorescent nanosensor array | PNAS, Imaging of Monoamine Neurotransmitters with Fluorescent Nanoscale Sensors - Dinarvand - 2020 - ChemPlusChem - Wiley Online Library). Dabei wurden Arrays aus fluoreszenten Kohlenstoffnanoröhren benutzt, die unter und um neurale Vorläuferzellen platziert wurden, um die Abgabe der Neurotransmitter Dopamin und Serotonin in Folge einer chemischen Stimulation der Zellen labelfrei abzubilden. Im Vergleich zu bisher existierenden analytischen Methoden wie Mikroelektroden, die auf nur wenige Sonden pro Zelle limitiert sind und somit die räumliche und zeitliche Abhängigkeit nicht in diesem Maße einfangen können, erlauben es Nanosensoren den Einfluss der zellulären Morphologie auf die Molekülfreisetzung zu untersuchen. Mithilfe der funktionalisierten Arrays wurden solche Vorgänge mit einer räumlichen Auflösung von 20.000 Nanosensoren pro Zelle und einer Zeitauflösung von 100 ms dynamisch abgebildet.

Zur Differenzierung von Pathogenen wird eine andere Strategie verwendet: da hier meist keine Abbildung mit hoher Ortsauflösung benötigt wird, sondern stattdessen eine spezifische Identifizierung gefragt ist, nutzt man die modulare Vielseitigkeit der Nanomaterialien zum Multiplexing. Das bedeutet, dass auf einem Array viele verschieden funktionalisierte und damit für verschiedene Stoffe sensitive Nanosensoren aufgebracht werden. So können beispielsweise Bakterien anhand ihrer spezifischen Stoffwechselprodukte, die einen charakteristischen »Fingerabdruck« liefern, identifiziert werden. (https://www.nature.com/articles/s41467-020-19718-5)

Zudem haben sich jüngst mithilfe kovalenter Chemie in das Kohlenstoffgitter eingebrachte Quantendefekte als vielseitige Möglichkeit erwiesen, um sowohl die photophysikalischen Eigenschaften als auch die Oberflächenchemie von Kohlenstoffnanoröhren einzustellen (Quantum Defects as a Toolbox for the Covalent Functionalization of Carbon Nanotubes with Peptides and Proteins - Mann - 2020 - Angewandte Chemie International Edition - Wiley Online Library). Diese Methoden wurden bisher zu Funktionalisierungszwecken nur wenig erforscht, weil dadurch meist die Nah-Infrarot-Fluoreszenz beeinträchtigt wurde. Durch das kovalente Ausstatten der Nanosensoren mit Biomolekülen konnten nun völlig neue Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Biosensorik und der Biomedizin eröffnet werden, da es gelang die Fluoreszenz im Nah-Infrarot zu erhalten.

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