Leuchtende Blumen finden Sprengstoff
Selektiver optischer TNT-Nachweis bis in den Sub-Zeptomol-Bereich.
Hochempfindliche und hochselektive Testverfahren sind wichtig z.B. für die Früherkennung von Krankheiten, die Detektion von Umweltgiften oder von Sprengstoffspuren in Flughäfen. Indische Wissenschaftler stellen jetzt ein spezifisches Nachweisverfahren für den Sprengstoff TNT vor, mit dem noch einzelne Moleküle detektiert werden können.
Abb.: Der visuelle Nachweis von TNT und Quecksilber im Zeptomol-Bereich und darunter gelingt mithilfe eines Hybridmaterials. Die hierfür genutzte Ein-Partikel-ein-Molekül-Technik könnte die ultimative Lösung für den selektiven Nachweis kleinster Substanzspuren bieten. (Bild: A. Mathew, Angew. Chem.)
Thalappil Pradeep, Ammu Mathew und P. R. Sajanlal vom Indian Institute of Technology Madras verwenden eine ausgeklügelte Kombination aus Mikro- und Nanostrukturen als Sensoren: „Gold-Mesoflowers“, ca. 4 Mikrometer große blumenförmige Goldpartikel, beschichtet mit Siliciumdioxid, dienen als Träger für Silber-Cluster, winzige „Häufchen“ aus exakt 15 Silber-Atomen, die in das Protein Rinderserum-Albumin eingebettet sind. Mit Licht der passenden Wellenlänge bestrahlt, lumineszieren die Silber-Cluster rot. Das Gold der blumigen Träger verstärkt die Fluoreszenz. Der besondere Vorteil ist ihre ganz einzigartige Form, die, anders als rundliche Partikel, unter einem optischen Mikroskop leicht eindeutig identifiziert werden kann.
Wird ein Tröpfchen einer TNT-haltigen Lösung aufgegeben, reagiert dieses mit den Aminogruppen des Rinderserum-Albumins zu einem „Meisenheimer-Komplex“ – eine Reaktion, die für TNT spezifisch ist. Dadurch wird das rote Leuchten der Silber-Cluster ausgelöscht. Um diese Reaktion noch eindeutiger zu machen, betten die Forscher zusätzlich einen grün fluoreszierenden Farbstoff in die Siliziumdioxid-Schicht ein, die sie auf die Gold-Blumen aufkristallisieren lassen. Solange die Silber-Cluster rot leuchten, ist deren Fluoreszenz unterdrückt. Knipsen TNT-Moleküle das rote Leuchten aber aus, beginnt der Farbstoff grün zu leuchten. Unter dem Fluoreszenzmikroskop kann ein Farbumschlag von rot nach grün beobachtet werden.
Bereits eine TNT-Konzentration von einem part per billion löscht das Leuchten aus, ein part per trillion reduziert es noch merklich. Die Forscher sicherten ihr Lumineszenz-Verfahren mit einer weiteren analytischen Methode ab, dem SERS (Surface-enhanced Raman Scattering), die ebenfalls ausgezeichnet mit einer Variante der blumigen Sensoren funktioniert. „So ließen sich Nachweisgrenzen bis in den sub-Zeptomol-Bereich (10–21 mol) erreichen“, erläutert Pradeep. Im Grunde reicht eine einzige „Blume“ als Sensor aus. Sie reagiert bereits, wenn sie mit ca. 9 Molekülen TNT in Berührung kommt. An einem auf dem Prinzip basierenden Gerät wird derzeit gearbeitet.
Den Forschern gelang außerdem ein ähnlich empfindlicher Nachweis von Quecksilber nach der gleichen Sensor-Strategie. Pradeep: „ Unser Konzept ließe sich zur Ultraspurenanalyse weiterer Stoffe nutzen, indem spezifische Liganden auf den Sensoren fixiert werden.“
Angew. Chem. / PH
