Nanoröhren bestehen aus einer einzigen Kohlenstofflage. Frühere Studien haben gezeigt, dass sie daher als Bausteine für Biosensoren besonders gut geeignet sind. Sie strahlen Licht im nahinfraroten Bereich aus, welches tief ins Gewebe eindringen kann, und sich beim Binden von Molekülen verändert. Ihre Oberfläche lässt sich mit Biopolymeren oder DNA-Fragmenten bestücken, wodurch sie spezifisch mit einem Zielmolekül interagieren. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise das Vorhandensein von bestimmten Neurotransmittern detektieren. Obwohl solche Sensoren bereits im Einsatz sind, ist ihr genaues Funktionsprinzip bisher unklar gewesen. Es stellt sich die Frage: Was erzeugt die Licht-Emissionen?
Energiefluss zwischen den Nanoröhren und wässriger Lösung
Weil die meisten relevanten biologischen Prozesse in wässriger Lösung stattfinden, untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Kohlenstoff-Nanoröhren in solchen Umgebungen. Mithilfe der Terahertz-Spektroskopie konnten sie detektieren, wie Energie zwischen den Nanoröhren und der wässrigen Lösung fließt. Entscheidend dafür sei die Hydrathülle der Biosensoren, also die Wassermoleküle in unmittelbarer Umgebung der Nanoröhren. Rege man die Kohlenstoff-Nanoröhren mit Licht an, werden die Nanoröhren zunächst intern angeregt, und anschließend werde ein Teil der Energie als Fluoreszenz abgegeben. Das Forschungsteam zeigte, dass die Energie alternativ an die Hydrathülle abgegeben werden kann. Dabei komme es zu einem Energiefluss: Nanoröhren, die heller leuchten, transferieren weniger Energie ins Wasser. Nanoröhren, die schwächer fluoreszieren, geben mehr Energie ins Wasser ab.
Fokus auf Lösungsmittel Wasser
„Mit der Terahertz-Spektroskopie konnten wir direkt messen, was wir schon lange vermutet hatten“, sagt Prof. Dr. Sebastian Kruß. „Dieses Wissen kann helfen, Biosensoren für ihren Einsatz in der Forschung oder der Medizin zu optimieren, indem wir die Hydrathüllen der Nanoröhren mit in Betracht ziehen.“ Prof. Dr. Martina Havenith, Sprecherin des Exzellenzclusters RESOLV, ergänzt: „In dieser interdisziplinären Arbeit haben wir den Fokus nicht auf die Kohlenstoff-Nanoröhren selbst gelegt, sondern auf das Lösungsmittel Wasser. So konnten wir einen bislang unbekannten Zusammenhang zwischen den Veränderungen im Wasser in der Umgebung der Nanoröhren und ihrer Funktion als Biosensor nachweisen. Das ist genau die Art von Forschung, für die unser Exzellenzcluster RESOLV steht.“ An der Ruhr-Universität Bochum kooperierten die Gruppen von Prof. Dr. Martina Havenith und Prof. Dr. Sebastian Kruß für die Arbeiten, die im Rahmen des Exzellenzclusters „Ruhr Explores Solvation, kurz RESOLV, stattfanden. Maßgeblich beteiligt waren die Doktorandin Sanjana Nalige und der Doktorand Phillip Galonska.
Quelle: idw/RUB
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