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.

Originalveröffentlichung:

Denis Spitzer et al.; Ein bioinspirierter nanostrukturierter Sensor für die Detektion von sehr niedrigen Sprengstoffkonzentrationen; Angewandte Chemie 2012

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Angewandte Chemie
  • News

    Atmungsüberwachung leicht gemacht

    Ein einfacher, aber effektiver Sensor zur Überwachung der Atemzüge von Personen ist an der Harvard University in Cambridge (USA) entwickelt worden: Dass Papier Feuchtigkeit aufnehmen und auch wieder abgeben kann haben die Wissenschaftler dort ausgenutzt, um einen elektronischen Sensor herzu ... mehr

    Mit nur einem Blutzuckermessgerät mehrere Biomarker messen

    Nicht nur Glucose: Blutzuckermessgeräte lassen sich auch für andere Biomarker im Blut einsetzen, sagen amerikanische Wissenschaftler von der Universität von Illinois. Sie erforschen die Messantwort von Nicotinamid-Coenzymen in gängigen Blutzuckermessgeräten. Der Lactatspiegel und die Konzen ... mehr

    Winkelunabhängige Strukturfarben für weiche Materie

    Eine Frage des Blickwinkels: Strukturfarben, die auf einen Reiz hin verändert werden können, gelten als äußerst interessant für Displays und Sensoren, aber ihr Farbton oder ihre Intensität kann bei flachen Betrachtungswinkeln abfallen. Japanische Wissenschaftlern haben jetzt ein poröses Hyd ... mehr

Mehr über Deutsch-Französisches Forschungsinstitut Saint-Louis
  • News

    Künstliche Spürhunde

    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 Zeitschri ... mehr

    Gefälschte Medikamente, Drogen und illegale Substanzen in Echtzeit zu identifizieren

    Gefälschte Medikamente, Drogen und illegale Substanzen und Drogen in Echtzeit zu identifizieren, ist eines der Forschungsschwerpunkte der EU-Programme. Das Deutsch-Französische Forschungsinstitut Saint-Louis (ISL) arbeitet in einem Konsortium aus 7 Partnern an dem Forschungsprojekt der Euro ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.