Studie über Kohlenstoffnanoröhren zeigt, dass lokale Lösung entscheidend für die Fluoreszenz von Biosensoren ist

An der Ruhr-Universität kooperierten die Gruppen von Professorin Martina Havenith und Professor Sebastian Kruss für eine neue Studie, die im Rahmen des Exzellenzclusters „Ruhr Explores Solvation“, kurz RESOLV, stattfand. Auch die Doktoranden Sanjana Nalige und Phillip Galonska waren maßgeblich an der Forschung beteiligt. veröffentlicht In Naturkommunikation.

Einwandige Kohlenstoffnanoröhren sind leistungsfähige Bausteine ​​für Biosensoren, wie frühere Studien zeigten. Ihre Oberfläche lässt sich mit Biopolymeren oder DNA-Fragmenten chemisch so anpassen, dass sie spezifisch mit einem bestimmten Zielmolekül interagieren.

Wenn sich solche Moleküle aneinander binden, verändern die Nanoröhrchen ihre Emission im Nahinfrarotbereich, der tief ins Gewebe eindringt. Auf diese Weise lässt sich zum Beispiel die Anwesenheit bestimmter Neurotransmitter, also Botenstoffe im Gehirn, nachweisen. Obwohl derartige Sensoren bereits im Einsatz sind, war ihr genaues Funktionsprinzip bislang unklar.

Da die meisten relevanten biologischen Prozesse im Wasser stattfinden, analysierten die Forscher die Kohlenstoffnanoröhren in einer wässrigen Lösung. Mittels Terahertz-Spektroskopie konnten sie nachweisen, wie Energie zwischen den Kohlenstoffnanoröhren und dem Wasser fließt.

Entscheidend ist dabei die Hydrathülle der Biosensoren, also die Wassermoleküle, die die Nanoröhren umgeben. Wird eine Kohlenstoffnanoröhre angeregt, kann die innere Energie an die Schwingungen der Hydrathülle ankoppeln.

Energieflüsse zwischen dem Wasser und den Nanoröhren: Sensoren, die in Gegenwart des Analyten heller werden, übertragen weniger Energie ins Wasser. Sensoren, die dunkler werden, übertragen dagegen mehr Energie ins Wasser.

„Mithilfe der Terahertz-Spektroskopie können wir nun direkt messen, was wir bisher nur vermutet hatten“, sagt Sebastian Kruss. „Diese Erkenntnisse liefern ein allgemeines und rationales Designprinzip, um optimale Biosensoren mit der besten Leistung für neuartige Anwendungen in Forschung und Medizin zu entwickeln.“

Martina Havenith, Sprecherin des Exzellenzclusters RESOLV, ergänzt: „In dieser interdisziplinären Studie haben wir nicht das Kohlenstoffnanoröhrchen selbst ins Rampenlicht gerückt. Stattdessen haben wir das Lösungsmittel Wasser ins Rampenlicht gerückt und dabei einen bislang unbekannten direkten Zusammenhang zwischen den Veränderungen des Wassers um das Kohlenstoffnanoröhrchen und der Funktion als Biosensor entdeckt. Genau dafür steht RESOLV.“