Supernase aus Erbgut und Graphen

Statt hunderter bis tausender duftspezifischer Mikrosensoren in einer "elektronischen Nase" soll ein neuer, leicht herzustellender chemischer Sensor die gleiche Vielfalt erkennen

Supernase mit Erbgut-Faktor
Supernase mit Erbgut-Faktor

Philadelphia (USA) - Ganz wie natürliche Nasen besteht ein chemischer Riech-Sensor aus zahlreichen Einzelsensoren, die je ein einzelnes Duftmolekül erkennen. Wesentlich einfacher ist da der Aufbau einer neuartigen künstlichen Nase aus nur zwei Materialien: aus Graphen und DNA-Abschnitten. US-Forscher zeigten jetzt, dass die elektronischen Eigenschaften der Erbgut-Moleküle zeigen, welche Duftmoleküle vorhanden sind. Sie präsentieren ihre schlichte, einfach herzustellende und hochempfindliche Sensorversion im Fachblatt "Applied Physics Letters". Die künstlichen Nasen könnten künftig helfen, Krankheiten in Kliniken, Giftstoffe in der Industrieproduktion, Sprengstoffe an Grenzstationen und sogar Verschüttete bei Katastrophenfällen aufzuspüren.

"Wir zeigen einen Weg, die Fähigkeiten von Graphen als chemischer Sensor zu verbessern, indem wir einzelne DNA-Stränge als Sensibilisator nutzen", schreibt das Team um A. T. Charlie Johnson von der University of Pennsylvania. "Diese Vorrichtungen zeigen schnelle Reaktionszeit, komplette und rasche Rückkehr zur Ausgangskonfiguration bei Raumtemperatur sowie ein Unterscheiden zwischen unterschiedlichen ähnlichen Analyten." Kern des neuartigen Sensors sind die elektronischen Reaktionen von DNA-Molekülen auf andere Moleküle. Bei Kontakt verändert sich der elektrische Widerstand der DNA-Stränge, um bis zu 50 Prozent. Diese Veränderung lässt sich direkt und auf einfache Weise messen - und da sie sehr schnell vor sich geht, meldet der Sensor den Kontakt mit den Zielchemikalien in weniger als zehn Sekunden. Binnen 30 Sekunden kehrt der Sensor dann zum Ausgangszustand zurück.

Graphen, die nur ein Atom dicke Kohlenstoffschicht, ist die Grundlage der neuartigen Sensoren. Johnson und Kollegen reinigten das Graphen, gewonnen durch Abschälen von dickeren Kohlenstoffschichten, um jede Verunreinigung und Signalverfälschung auszuschließen. Dann tauchten sie Transistoren auf dieser Basis in eine Lösung spezifischer einzelner Teilstränge von DNA-Molekülen, die sich auf der Graphenoberfläche selbstständig zu Mustern anordneten. Die Forscher testeten unterschiedliche Abfolgen der vier Basen, aus denen DNA-Moleküle bestehen: Adenin (A), Cytosin (C), Thymin (T) und Guanin (G). Sie wählten die Sequenzen aufgrund der Fähigkeit, als chemischer Sensibilisator zu funktionieren, beispielsweise die Abfolge GAG TCT GTG GAG GAG GTA GTC. Weil die Sequenzen sich in räumlicher Form, pH-Wert und hydrophilem Verhalten unterscheiden, reagieren sie jeweils leicht unterschiedlich mit einzelnen flüchtigen organischen Chemikalien, und liefern eine spezifische Veränderung des elektrischen Widerstands.

Bisher testeten die Forscher nur einige wenige DNA-Abfolgen, sehen die Möglichkeiten aber als quasi endlos an. Ihr nächstes Ziel ist es, weitere Sequenzen auszutesten, mehr davon auf eine Graphenbasis zu setzen und alle Signale eines solchen Arrays korrekt zu interpretieren, besonders, wenn es einer Mischung von Duftstoffen ausgesetzt ist.