17.03.2022 - Indian Institute of Science

Papierscheiben, die Wasserstoffperoxid aufspüren können: Papierbasierter Sensor kann selbst kleinste Mengen nachweisen

"Wir stehen in Kontakt mit einem Start-up in Chennai"

Forscher am Indian Institute of Science (IISc) haben einen papierbasierten Sensor entwickelt, mit dem selbst kleinste Mengen Wasserstoffperoxid nachgewiesen werden können. Diese Chemikalie wird häufig in Haushalts- und Gesundheitsprodukten wie Händedesinfektionsmitteln als Desinfektionsmittel und in Raketentreibstoff als Treibstoff verwendet und kommt auch in biologischen Zellen vor.

Bei der von ihnen angewandten Technik wird ein Gel aus einer Lösung hergestellt, die ein speziell entwickeltes Molekül enthält, das mit einer wasserstoffperoxidhaltigen Flüssigkeit behandelt wurde, und an der Luft auf einer dünnen Papierscheibe von etwa 0,45 cm Durchmesser getrocknet. Das Papierplättchen strahlt unter einer UV-Lampe grünes Licht aus, allerdings nur in Gegenwart von Wasserstoffperoxid. Es wurde festgestellt, dass die Intensität des Lichts direkt proportional zur Konzentration des Wasserstoffperoxids ist.

"Man kann diese grüne Emission (Photolumineszenz) sogar mit bloßem Auge sehen. Man braucht keine ausgeklügelten Instrumente. Alles, was man braucht, ist eine einfache UV-Lichtquelle", erklärt Arnab Dutta, Doktorand in der Abteilung für organische Chemie und Erstautor der in ACS Sensorsveröffentlichten Studie.

Da die Papierscheibe kostengünstig, biologisch abbaubar und einfach zu handhaben ist, könnte sie in ressourcenarmen Umgebungen als leistungsfähiges Werkzeug dienen, sogar für die Untersuchung biologischer Flüssigkeiten wie Blut. Der effiziente Nachweis von Wasserstoffperoxid ist auch in anderen Bereichen von entscheidender Bedeutung; so können beispielsweise Sprengstoffe auf Peroxidbasis mit Hilfe von Wasserstoffperoxid, das manchmal als Ausgangsstoff verwendet wird, nachgewiesen werden.

Als die Forscher ihre Technik einsetzten, um fünf verschiedene Marken von Handdesinfektionsmitteln stichprobenartig zu testen, stellten sie fest, dass nur drei von ihnen den von der Weltgesundheitsorganisation vorgeschriebenen Gehalt an Wasserstoffperoxid enthielten - 0,125 %. Eine vierte Marke enthielt viel weniger als 0,125 %, und eine Marke hatte fast kein Wasserstoffperoxid.

"Wasserstoffperoxid kann in größerem Maßstab durch Titration und andere Experimente nachgewiesen werden, aber diese sind umständlich und erfordern eine Ausbildung. Diese Methode ist aufgrund ihrer Einfachheit leicht", sagt Uday Maitra, Professor in der Abteilung für organische Chemie und Hauptautor der Studie.

Maitras Labor hat an der Entwicklung mehrerer Sensibilisierungsmoleküle gearbeitet, die die Photolumineszenz von Lanthaniden genannten Elementen in Gegenwart bestimmter Chemikalien oder Verbindungen aktivieren. Sie haben bereits papierbasierte Sensoren zum Nachweis bestimmter Antioxidantien in grünem Tee - und damit zur Prüfung seiner Qualität - sowie Sensoren für verschiedene Enzyme entwickelt.

Das Sensibilisierungsmolekül, das sie in dieser Studie entwickelt haben, ermöglicht es einem Metall namens Terbium, unter einer UV-Lampe grünes Licht zu emittieren. Wenn der Sensibilisator mit einem Maskierungsmittel kombiniert wird, verschwindet das grüne Licht. Wenn Wasserstoffperoxid zu dieser Kombination hinzugefügt wird, wird das Sensibilisierungsmolekül entmaskiert und leuchtet wieder grün. "Die Art und Weise, wie wir die Maske entworfen haben, ist ein Denkprozess", sagt Maitra. "Das Molekül, das wir entworfen haben, wird ganz spezifisch durch Wasserstoffperoxid demaskiert."

Derzeit arbeitet das Team daran, die Reaktionszeit zu verkürzen; es dauert etwas länger, wenn die Wasserstoffperoxidkonzentration niedriger ist. Maitra fügt hinzu, dass sie auch an der Entwicklung eines kleinen tragbaren Geräts arbeiten, mit dem der Nachweis automatisiert erfolgen kann. "Wir stehen in Kontakt mit einem Start-up-Unternehmen in Chennai. Wir haben ein paar Prototypen mit UV-LEDs und einer Kamera gebaut, um die Emission zu erzeugen, ein Foto zu machen und eine Bildverarbeitungs-App zu verwenden, um die Menge an Wasserstoffperoxid zu bestimmen."

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