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). (Abbildung: Philipps-Universität / AG Witte)

Marburg 23.12.2011 (pm) Eine dünne Schicht streng geordneter Moleküle ist erforderlich, um kleinste Halbleiterpartikel so auf einer Goldunterlage zu verankern, dass ein elektrochemischer Sensor entsteht. Das berichten Physiker der Philipps-Universität in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „ACS Nano“, die am 27. Dezember 2011 erscheint. Sie zeigen außerdem, dass der Sensor 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 Photostrom messen, so ist die Schwierigkeit zu überwinden, die Nanopartikel einerseits elektrisch leitend mit einer Metallelektrode zu verbinden, andererseits aber den direkten Kontakt der Partikel mit dem Substrat zu verhindern, da dies die Photoaktivität stark reduzieren würde.
Die Marburger Forscher um die Professoren Dr. Gregor Witte und Dr. Wolfgang Parak konnten dieses Problem nunmehr 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 lagern sich selbständig aneinander und erlauben eine Verankerung sowohl am Goldsubstrat als auch an den Nanopartikeln.
Wittes Team untersuchte, welche Ordnung diese molekulare Zwischen­schicht aufweist, und identifizierte die Gründe, die für das bisherige Scheitern dieses Ansatzes verantwortlich sind: „Frühere Versuche resultierten in recht ungeordneten Molekülfilmen, bei denen die Moleküle – ähnlich den Getreidehalmen nach einem Sturm – nicht mehr aufrecht stehen, sondern eher liegen“, erläutert Witte. 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 ist sowohl die Verbindung mit den Nanopartikeln als auch der Stromfluss durch den oxidierten Film stark verringert“, führt Witte aus. Durch Optimierung der Herstellungsparameter gelang es den Marburger Forschern, streng geordnete Molekülschichten mit hoher Leitfähigkeit zu präparieren. Dadurch konnte nicht nur der Photostrom 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 lassen. Dadurch entsteht ein Strom auf der Goldelektrode, der proportional zur Konzentration des detektierten chemischen Stoffes ist. Diese Funktionsweise konnte am Beispiel von Wasserstoffperoxyd nachgewiesen werden, einem Nebenprodukt vieler physiologischer Prozesse. „Damit ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Realisierung von empfindlichen Sensoren gelungen, die in Zukunft auf einem Chip integriert werden können“, erklären die Autoren.

Originalveröffentlichung: W. Khalid & al.: Immobilization of Quantum Dots via Conjugated Self-Assembled Monolayers and Their Application as a Light-Controlled Sensor for the Detection of Hydrogen Peroxide, ACS Nano 5 (2011), DOI: 10.1021/nn2035582