Leuchtende Blume für TNT-Ultraspurenanalyse

Selektiver optischer TNT-Nachweis bis in den Sub-Zeptomol-Bereich

29.08.2012

Hochempfindliche und hochselektive Testverfahren sind wichtig z.B. für die Früherkennung von Krankheiten, die Detektion von Umweltgiften oder von Sprengstoffspuren in Flughäfen. Erhöhte Selektivität für den gesuchten Analyten hilft, falsch-positive Resultate zu vermeiden. Indische Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt ein spezifisches Nachweisverfahren für den Sprengstoff TNT vor, mit dem noch einzelne Moleküle detektiert werden können.

Thalappil Pradeep, Ammu Mathew und P. R. Sajanlal vom Indian Institute of Technology Madras verwenden eine ausgeklügelte Kombination aus Mikro- und Nanostrukturen als Sensoren: So genannte Gold-Mesoflowers, ca. 4 µm 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 so genannten 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 1 ppb (parts per billion, 1 Teil pro einer Milliarde) löscht das Leuchten aus, 1 ppt (parts per trillion, 1 Teil pro einer Billion) 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.“

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