Nanoröhren können als Biosensoren eingesetzt werden. Sie fluoreszieren anders, wenn an sie bestimmte Moleküle binden. Warum, war bislang unklar. Forschende haben neue Einblicke in das Leuchtphänomen gewonnen.

Warum Kohlenstoff-Nanoröhren fluoreszieren, wenn sie an bestimmte Moleküle binden, haben Forschende aus Bochum und Texas herausgefunden. Die Nanoröhren gelten als vielversprechende Biosensoren, die beispielsweise für das Blutzucker-Monitoring oder für Covid-19-Tests nützlich sein könnten. Binden sie an bestimmte Moleküle, verändert sich ihre Fluoreszenz. Was die Licht-Emission erzeugt, haben Forschende der Ruhr-Universität Bochum gemeinsam mit einem Team der University of Texas at El Paso mithilfe der Terahertz-Spektroskopie analysiert. Sie zeigten, dass die Wasserhülle der Biosensoren eine entscheidende Rolle beim Entstehen der Fluoreszenz spielt. Die Ergebnisse sind online am 8. August 2024 in der Zeitschrift „Nature Communications“ erschienen.

An der Ruhr-Universität Bochum kooperierten die Gruppen von Prof. Dr. Martina Havenith und Prof. Dr. Sebastian Kruß für die Arbeiten, die im Rahmen des Exzellenzclusters „Ruhr Explores Solvation, kurz RESOLV, stattfanden. Maßgeblich beteiligt waren die Doktorandin Sanjana Nalige und der Doktorand Phillip Galonska.

Kohlenstoff-Nanoröhren als Biosensoren 

Nanoröhren bestehen aus einer einzigen Kohlenstofflage und sind daher als Bausteine für Biosensoren besonders gut geeignet, wie frühere Studien zeigten. Sie strahlen Licht im nahinfraroten Bereich aus, welches tief ins Gewebe eindringen kann, und sich beim Binden von Molekülen verändert. Ihre Oberfläche lässt sich mit Biopolymeren oder DNA-Fragmenten bestücken, wodurch sie spezifisch mit einem Zielmolekül interagieren. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise das Vorhandensein von bestimmten Neurotransmittern detektieren, also Botenstoffen im Gehirn. Obwohl solche Sensoren bereits im Einsatz sind, ist ihr genaues Funktionsprinzip unklar gewesen.

Wasserhülle für Fluoreszenzänderungen entscheidend 

Weil die meisten relevanten biologischen Prozesse in wässriger Lösung stattfinden, untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Kohlenstoff-Nanoröhren in solchen Umgebungen. Mithilfe der Terahertz-Spektroskopie konnten sie detektieren, wie Energie zwischen den Nanoröhren und der wässrigen Lösung fließt. Entscheidend dafür ist die Hydrathülle der Biosensoren, also die Wassermoleküle in unmittelbarer Umgebung der Nanoröhren. Regt man die Kohlenstoff-Nanoröhren mit Licht an, werden die Nanoröhren zunächst intern angeregt, und anschließend wird ein Teil der Energie als Fluoreszenz abgebeben. Das Forschungsteam zeigte, dass die Energie alternativ an die Hydrathülle abgegeben werden kann. Dabei kommt es zu einem Energiefluss: Nanoröhren, die heller leuchten, transferieren weniger Energie ins Wasser. Nanoröhren, die schwächer fluoreszieren, geben mehr Energie ins Wasser ab.

„Mit der Terahertz-Spektroskopie konnten wir direkt messen, was wir schon lange vermutet hatten“, sagt Sebastian Kruß. „Dieses Wissen kann helfen, Biosensoren für ihren Einsatz in der Forschung oder der Medizin zu optimieren, indem wir die Hydrathüllen der Nanoröhren mit in Betracht ziehen.“ Martina Havenith, Sprecherin des Exzellenzclusters RESOLV, ergänzt: „In dieser interdisziplinären Arbeit haben wir den Fokus nicht auf die Kohlenstoff-Nanoröhren selbst gelegt, sondern auf das Lösungsmittel Wasser. So konnten wir einen bislang unbekannten Zusammenhang zwischen den Veränderungen im Wasser in der Umgebung der Nanoröhren und ihrer Funktion als Biosensor nachweisen. Das ist genau die Art von Forschung, für die unser Exzellenzcluster RESOLV steht.“

Förderung 

Die Arbeiten wurden unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (EXC 2033 – 390677874, GRK2376-331085229), der VolkswagenStiftung sowie der National Science Foundation (CBET-2106587).

Originalveröffentlichung 

Sanjana S. Nalige, Phillip Galonska, Payam Kelich, Linda Sistemich, Christian Herrmann, Lela Vukovic, Sebastian Kruss, Martina Havenith: THz Coupling in Carbon Nanotube Sensors Modulates Their Fluorescence, in: Nature Communications, 2024, DOI: 10.1038/s41467-024-50968-9