Empfindlicher Molekülrasen

  • 22. December 2011

Eine dünne Schicht streng geordneter Moleküle ist erforderlich, um kleinste Halbleiterpartikel so auf einer Goldunterlage zu verankern, dass ein elektrochemischer Sensor entsteht.

Physiker der Philipps-Universität haben gezeigt, dass eine dünne Schicht von Molekülen chemische Substanzen zu detektieren vermag. Halbleiterpartikel mit einer Größe von nur wenigen Nanometern weisen eine Reihe physikalischer Besonderheiten auf; zum Beispiel hängt die Farbe von der Größe der Nanopartikel ab. Bei Beleuchtung solcher Partikel entsteht ein elektrischer Strom. Möchte man diesen Fotostrom messen, müssen die Nanopartikel einerseits elektrisch leitend mit einer Metallelektrode verbunden sein, andererseits darf kein direkter Kontakt der Partikel mit dem Substrat bestehen, da dies die Fotoaktivität stark reduzieren würde.

Abb.: Schematischer Aufbau des lichtempfindlichen Sensors zum Nachweis von Wasserstoffperoxyd (H2O2): Eine Schicht gleichförmiger, leitfähiger Moleküle (SAM) verankert die lichtempfindlichen und katalytisch wirksamen Nanopartikel (NP) auf der Goldunterlage (Au). (Bild: Philipps-Universität / AG Witte)

Abb.: Schematischer Aufbau des lichtempfindlichen Sensors zum Nachweis von Wasserstoffperoxyd (H2O2): Eine Schicht gleichförmiger, leitfähiger Moleküle (SAM) verankert die lichtempfindlichen und katalytisch wirksamen Nanopartikel (NP) auf der Goldunterlage (Au). (Bild: Philipps-Universität / AG Witte)

Die Marburger Forscher um Gregor Witte und Wolfgang Parak konnten dieses Problem nun lösen, indem sie Nanopartikel gezielt mit Hilfe einer Art „molekularer Drähte“ an einer Goldelektrode verankerten. Dazu verwendeten die Wissenschaftler extrem glatte Goldoberflächen, die sie mit einer Lage leitfähiger Moleküle beschichteten. Die Moleküle lagerten sich selbständig aneinander und erlaubten eine Verankerung sowohl am Goldsubstrat als auch an den Nanopartikeln.

Wittes Team untersuchte, welche Ordnung diese molekulare Zwischenschicht aufwies, und identifizierte die Gründe, die für das bisherige Scheitern dieses Ansatzes verantwortlich waren: Frühere Versuche resultierten in recht ungeordneten Molekülfilmen, bei denen die Moleküle – ähnlich den Getreidehalmen nach einem Sturm – nicht mehr aufrecht standen, sondern eher lagen. Hierdurch sei die Schutzfunktion durch einen dicht gepackten Film nicht mehr gegeben; außerdem bestehe die Gefahr, dass die molekularen Ankerstellen zum Goldsubstrat oxidieren.

Als Folge sei sowohl die Verbindung mit den Nanopartikeln als auch der Stromfluss durch den oxidierten Film stark verringert. Durch Optimierung der Herstellungsparameter gelang es den Marburger Forschern, streng geordnete Molekülschichten mit hoher Leitfähigkeit zu präparieren. Dadurch konnte nicht nur der Fotostrom deutlich verbessert werden, sondern auch die Ankopplung der Nanopartikel und damit die Langzeitstabilität des lichtgesteuerten Sensors.

In einem weiteren Schritt gelang es Wolfgang Parak und seinen Mitarbeitern, durch geschickte Synthese die Halbleiterpartikel auch mit einem Nano-Katalysator zu verbinden, so dass sich bestimmte Moleküle gezielt umwandeln ließen. Dadurch entstand ein Strom auf der Goldelektrode, der proportional zur Konzentration des detektierten chemischen Stoffes war. Diese Funktionsweise konnte am Beispiel von Wasserstoffperoxyd nachgewiesen werden, einem Nebenprodukt vieler physiologischer Prozesse.

Universität Marburg / PH

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