15.05.2020 - University of Massachusetts Amherst

Neuer, hochempfindlicher chemischer Sensor verwendet Protein-Nanodrähte

Forscher-Team stellt hochleistungsfähigen 'grünen' elektronischen Sensor vor

In der Zeitschrift NanoResearch berichtet ein Team der Universität von Massachusetts Amherst, dass sie bioelektronische Ammoniakgassensoren entwickelt haben, die zu den empfindlichsten gehören, die je hergestellt wurden.

Der Sensor verwendet elektrisch ladungsleitende Protein-Nanodrähte, die aus dem Bakterium Geobacter gewonnen werden, um Biomaterialien für elektrische Geräte bereitzustellen. Vor mehr als 30 Jahren entdeckte der leitende Autor und Mikrobiologe Derek Lovley Geobacter im Flussschlamm. Die Mikroben wachsen haarähnliche Proteinfäden, die als nanoskalige "Drähte" fungieren, um Ladungen für ihre Ernährung zu übertragen und mit anderen Bakterien zu kommunizieren.

Der Erstautor und Doktorand der Biomedizintechnik Alexander Smith und sein Berater Jun Yao und Lovley sagen, dass sie diesen ersten Sensor zur Messung von Ammoniak entwickelt haben, weil dieses Gas für die Landwirtschaft, die Umwelt und die Biomedizin wichtig ist. Beim Menschen beispielsweise kann Ammoniak in der Atemluft Krankheiten signalisieren, während in der Geflügelzucht das Gas aus Gründen der Vogelgesundheit und des Komforts sowie zur Vermeidung von Futterungleichgewichten und Produktionsverlusten genau überwacht und kontrolliert werden muss.

Yao sagt: "Mit diesem Sensor können Sie hochpräzise Messungen vornehmen; er ist viel besser als bisherige elektronische Sensoren". Smith fügt hinzu: "Jedes Mal, wenn ich ein neues Experiment mache, bin ich angenehm überrascht. Wir hatten nicht erwartet, dass sie so gut funktionieren, wie sie es getan haben. Ich glaube wirklich, dass sie einen wirklich positiven Einfluss auf die Welt haben könnten".

Smith sagt, dass bestehende elektronische Sensoren oft entweder eine begrenzte oder geringe Empfindlichkeit haben und anfällig für Störungen durch andere Gase sind. Neben der überlegenen Funktion und den niedrigen Kosten fügt er hinzu: "Unsere Sensoren sind biologisch abbaubar, so dass sie keinen Elektronikschrott produzieren, und sie werden nachhaltig von Bakterien unter Verwendung erneuerbarer Ausgangsstoffe ohne den Einsatz toxischer Chemikalien hergestellt.

Smith führte die Experimente in den letzten 18 Monaten im Rahmen seiner Doktorarbeit durch. Aus früheren Studien von Lovley war bekannt, dass sich die Leitfähigkeit der Protein-Nanodrähte als Reaktion auf den pH-Wert - das Säure- oder Basenniveau - der Lösung um die Protein-Nanodrähte herum ändert. Dies veranlasste die Forscher dazu, die Idee zu testen, dass sie hochgradig auf Molekülbindungen für die Biosensorik reagieren könnten. "Wenn man sie einer Chemikalie aussetzt, ändern sich die Eigenschaften und man kann die Reaktion messen", bemerkt Smith.

Als er die Nanodrähte Ammoniak aussetzte, "war die Reaktion wirklich auffällig und signifikant", sagt Smith. "Schon früh stellten wir fest, dass wir die Sensoren so abstimmen konnten, dass diese signifikante Reaktion sichtbar wird. Sie reagieren wirklich empfindlich auf Ammoniak und viel weniger auf andere Verbindungen, so dass die Sensoren sehr spezifisch sein können".

Lovley fügt hinzu, dass die "sehr stabilen" Nanodrähte eine lange Lebensdauer haben, der Sensor nach monatelangem Gebrauch beständig und robust funktioniert und so gut funktioniert, "das ist bemerkenswert".

Yao sagt: "Diese Protein-Nanodrähte sind für mich immer wieder erstaunlich. Diese neue Anwendung erfolgt in einem völlig anderen Bereich als dem, in dem wir zuvor gearbeitet haben". Zuvor hat das Team berichtet, dass es Protein-Nanodrähte verwendet, um Energie aus Feuchtigkeit zu gewinnen und sie als Memristoren für biologische Berechnungen einzusetzen.

Smith, der sich selbst als "unternehmerisch" bezeichnet, gewann den ersten Platz in UMass Amhersts Innovationsherausforderung 2018 für den Start-up-Geschäftsplan für das Unternehmen, das er mit Yao und Lovley, e-Biologics, gegründet hatte. Den Forschungen folgten eine Patentanmeldung, Fundraising, Geschäftsentwicklung und Forschungs- und Entwicklungspläne.

Lovley sagt: "Diese Arbeit ist der erste Proof-of-Concept für den Nanodrahtsensor. Sobald wir wieder im Labor sind, werden wir Sensoren für andere Verbindungen entwickeln. Wir arbeiten daran, sie auf eine Reihe anderer Verbindungen abzustimmen", sagt Lovley.

Die Arbeit wurde mit einem CAREER-Stipendium und einem Forschungsstipendium für Hochschulabsolventen von der National Science Foundation, dem UMass Amherst Office of Technology Commercialization and Ventures und dem Center for Hierarchical Manufacturing des Campus, einem von der NSF finanzierten Zentrum für Wissenschaft und Technik im Nanobereich, unterstützt.

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