Spürhund in Chipform: Hochempfindlicher TNT-Nachweis mit Nanodrähten

17.09.2010: Nicht nur um mögliche Terroranschläge zu vereiteln, sondern auch um Kontaminationen auf ehemaligen militärischen Geländen aufzuspüren, tüfteln Forscher in den letzten Jahren verstärkt an Methoden zur Spurenanalytik von Explosivstoffen. Fernando Patolsky und sein Team von der Universität Tel Aviv haben jetzt einen neuartigen Sensor-Chip entwickelt, der Trinitrotoluol (TNT) und andere Explosivstoffe ohne Aufkonzentrierungsschritt hochempfindlich detektiert. Wie die israelischen Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, ist er Spürhunden sowie allen bisherigen Nachweismethoden für den Explosivstoff überlegen.

Das Problem beim Nachweis von Explosivstoffen wie TNT ist ihre ausgesprochen geringe Flüchtigkeit. Für die Analyse von Luftproben stehen bisher meist nur teure und zeitraubende Methoden zur Verfügung, die große, sperrige Apparate, eine mühselige Probenaufbereitung und die Hand eines Experten erfordern. „Gesucht ist eine kostengünstige miniaturisierbar Methode, die flott und einfach eine robuste Hochdurchsatzanalytik im Feldeinsatz ermöglicht“, sagt Patolsky.

Die Wissenschaftler bauten ihren Sensor auf dem Prinzip eines Nano-Feldeffekt-Transistors auf. Anders als ein stromgesteuerter klassischer Transistor wird ein Feldeffekt-Transistor durch ein elektrisches Feld geschaltet. Als Herzstück wählten sie Nanodrähte aus dem Halbleitermaterial Silicium. Diese beschichteten sie mit einer molekularen Schicht aus speziellen Siliciumverbindungen, die Aminogruppen (NH2) tragen. TNT-Moleküle binden an diesen Aminogruppen in Form so genannter Charge-Transfer-Komplexe. Dabei werden Elektronen von den elektronenreichen Aminogruppen auf das elektronenarme TNT übertragen. Diese veränderte Ladungsverteilung an der Oberfläche der Nanodrähte moduliert das elektrische Feld und führt zu einer abrupten Änderung der Leifähigkeit der Nanodrähte, was sich leicht messen lässt.

Um das Signal/Rauschen-Verhältnis zu verbessern und damit die Empfindlichkeit zu erhöhen, statteten die Wissenschaftler ihren Chip mit einer Anordnung aus ca. 200 einzelnen Sensoren aus. „Sowohl flüssige als auch gasförmige Proben lassen sich damit ohne vorherige Aufkonzentrierung oder sonstige Probenvorbereitung mit bisher unerreichter Empfindlichkeit analysieren“, so Patolsky. „Wir konnten Konzentrationen bis hinunter zu 0,1 ppt (parts per trillion) analysieren, das hieße ein Teilchen TNT in 10 Billiarden anderer Moleküle.“ Der Sensor lässt sich durch Waschen schnell regenerieren und ist selektiv für TNT, andere verwandte Verbindungen reagieren nicht so.

„Jetzt arbeiten wir an einem Chip mit großen Nanosensor-Anordnungen, die mit einer Fülle unterschiedlicher chemischer Rezeptoren modifiziert sind und daher verschiedene Bindungseigenschaften mitbringen. Auf diese Weise wollen wir ein ganzes Spektrum verschiedener Explosivstoffe parallel detektieren“, sagt Patolsky.

Originalveröffentlichung: Fernando Patolsky et al.; "Supersensitive Detection of Explosives by Silicon Nanowire Arrays"; Angewandte Chemie 2010, 122, No. 38, 6982-6987