Um mögliche Terroranschläge zu vereiteln oder um Kontaminationen auf ehemaligem Militärgelände aufzuspüren, tüfteln Forscher seit Jahren an Methoden, mit denen sich selbst geringe Spuren von Explosivstoffen nachweisen lassen. Fernando Patolsky und sein Team von der Universität Tel Aviv haben jetzt einen neuartigen Sensorchip entwickelt, der Trinitrotoluol (TNT) und andere Explosivstoffe entdeckt, ohne dass er dazu die Stoffe erst auf höhere Konzentrationen bringen müsste. Die israelischen Forscher berichten, er sei nicht nur Spürhunden, sondern auch allen bisherigen Nachweismethoden überlegen.
TNT-Sensor | Ein Feldeffekttransistor mit einem Silizium-Nanodraht als Herzstück erlaubt den Forscher die sensible Detektion von TNT. Anders als ein stromgesteuerter klassischer Transistor wird ein Feldeffekt-Transistor durch ein elektrisches Feld geschaltet. TNT-Moleküle binden an die Aminogruppen in Form so genannter Charge-Transfer-Komplexe. Dabei werden Elektronen von den elektronenreichen Aminogruppen auf das elektronenarme TNT übertragen. Die veränderte Ladungsverteilung an der Oberfläche der Nanodrähte moduliert das elektrische Feld und führt zu einer abrupten Änderung der Leifähigkeit der Nanodrähte.
Als Herzstück ihres Sensors wählten die Wissenschaftler nanometergroße Drähte aus Silizium. Diese integrierten sie in Transistoren und beschichteten sie mit speziellen Siliziumverbindungen, deren Aminogruppen (NH2) als Antennen für das TNT dienten: Sobald eines der gesuchten Moleküle an die elektronenreichen Aminogruppen band, zog es von ihnen Ladungen ab, was abrupt die Leifähigkeit der Nanodrähte änderte und den Transistor schaltete.
Mit einer Anordnung von rund 200 solcher Sensoren verbesserte das Team um Patolsky schließlich noch die Genauigkeit und Empfindlichkeit des Chips. "Wir konnten Konzentrationen bis hinunter zu 0,1 parts per trillion analysieren, das hieße ein Teilchen TNT in 10 Billiarden anderer Moleküle", erläutert Patolsky. Außerdem könnten sowohl flüssige als auch gasförmige Proben ohne jede Aufbereitung untersucht werden. Der Sensor lasse sich überdies durch Waschen schnell regenerieren und sei selektiv für TNT, da mit dem Sprengstoff verwandte Verbindungen anders mit den Aminogruppen reagieren würden.
Bisher machte die geringe Flüchtigkeit von Explosivstoffen den Einsatz sperriger Apparate und die erfahrene Hand eines Experten nötig. In einem nächsten Schritt will die Forschergruppe das Prinzip noch ein Stück weiter treiben: "Jetzt arbeiten wir an einem Chip mit großen Nanosensor-Anordnungen, die mit einer Fülle unterschiedlicher chemischer Rezeptoren modifiziert sind und daher verschiedene Bindungseigenschaften mitbringen", sagt Patolsky. Auf diese Weise könne ein ganzes Spektrum verschiedener Explosivstoffe parallel erkannt werden.
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