Künstliche Spürhunde

Nanostrukturierter Sensor für die Detektion sehr niedriger Sprengstoffkonzentrationen

22.05.2012

Um Terroranschläge an Flughäfen zu verhindern, möchte man kleinste Konzentrationen von Sprengstoffen einfach aber zuverlässig detektieren. Trotz verschiedener Ansätze für Sensoren sind Hunde noch immer die effizientesten Detektoren. Ein deutsch-französisches Team beschreibt in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun einen neuen mikromechanischen Sensortyp, dessen Aufbau sich an die Sinnesorgane von Schmetterlingen anlehnt.

Ein Ansatz für Sensoren basiert auf so genannten Mikrocantilevern. Es handelt sich dabei um winzige „Biegebalken“, wie sie auch in Rastkraftmikroskopen verwendet werden, um Oberflächen abzutasten. Sie finden aber auch Einsatz in „chemischen Nasen“. Sie werden mit einem Material beschichtet, das den gesuchten Analyten spezifisch bindet. Cantilever können wie eine Feder schwingen. Sind zusätzliche Analyt-Moleküle gebunden, ändert sich die Masse des Mikrocantilevers und damit die Frequenz, mit der er schwingt. Dies lässt sich messen.

Aufgrund der sehr niedrigen Dampfdrücke bei Raumtemperatur ist eine hochempfindliche, zuverlässige Detektion von Sprengstoffen dennoch eine große Herausforderung. Um Mikrocantilever empfindlicher für den Sprengstoff Trinitrotoluol (TNT) zu machen, ließen sich die Forschungsgruppen von Denis Spitzer vom Deutsch-Französischen Forschungsinstitut Saint-Louis und von Valérie Keller vom Laboratoire des Matériaux, Surfaces et Procédés pour la catalyse in Straßburg, jetzt von den hochsensiblen Sinnesorganen einiger Schmetterlingsarten inspirieren. So erkennen beispielsweise Seidenspinner-Männchen einzelne von einem Weibchen abgesonderte Pheromonmoleküle, wenn diese auf ihre gefächerten Antennen treffen. Darauf befinden sich so genannte Sensillen, eine Art poröser Härchen, in denen chemosensorische Neuronen sitzen.

Die Wissenschaftler statteten Mikrocantilever so ähnlich aus wie die Schmetterlingsantennen. Sie beschichteten sie mit einer dichten dreidimensional geordneten Schicht aus Titandioxid-Nanoröhrchen, die ähnlich wie die Sensillen der Schmetterlinge vertikal ausgerichtet sind. Dies hat mehrere Vorteile: Die spezifische Oberfläche der Mikrocantilever wird deutlich erhöht. Titandioxid kann Stoffe gut binden, die Nitrogruppen enthalten, was für TNT und andere Sprengstoffe charakteristisch ist. Außerdem haben die Röhrchen eine offene Struktur, die den Massetransport erleichtert und so für eine rasche Antwort des Sensors sorgt.

Die Röhrchen sind ca. 1700 nm lang, haben einen Außendurchmesser von etwa 100 nm und eine Wandstärke von 20 nm. Auf einem Cantilever finden sich etwa 500.000 der Nanoröhrchen.

Zu Testzwecken verdampften die Forscher TNT, indem sie einen winzigen Kristall erwärmten. Der Sensor war in der Lage, noch Konzentrationen von weniger als einem ppt (parts per trillion = 1 Teil pro eine Billion Teile) innerhalb von 3 min nachzuweisen. Die Forscher arbeiten nun daran, auf dieser Basis ein selektives Detektorsystem für Sprengstoffe oder andere Gase zu bauen.

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