Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Goldpyramiden machen Kohlenmonoxid-Spuren in der Luft erkennbar

15.07.2013
Bayreuther Chemiker entwickeln neuartiges Material für die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie

Ein handliches und preisgünstiges Spektrometer kann in Verbindung mit einer nanostrukturierten Oberfläche feinste Spuren von Kohlenmonoxid in der Atmosphäre entdecken. Über diese Entwicklung berichtet ein internationales Team mit Dr. Nicolas Pazos Peréz und Prof. Dr. Andreas Fery an der Universität Bayreuth in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“.


Rechts: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme
der Gold-Nanopyramiden.
Links: (1) oben links: Einzelne Gold-Nanopartikel
in einer transmissionselektronenmikroskopischen
Aufnahme; (2) daneben rechts: Foto eines handlichen
SERS-Sensors, bestehend aus einer quadratzentimeter-
großen Fläche, auf der die beschichteten Gold-
Nanopyramiden angeordnet sind; (3) Mitte:
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer
Pyramide; (4) unten: Nahaufnahme der kugelartigen
Nanopartikel an einer Kante der Pyramide.

1 Nanometer entspricht 1 Millardstel Meter,
1 Mikrometer entspricht 1 Millionstel Meter.

Grafik: Dr. Nicolas Pazos-Peréz;
mit Autorangabe zur Veröffentlichung frei.

Der Forschergruppe ist es gelungen, die Leistungsfähigkeit der oberflächenverstärkten Raman-Streuung in einer bisher unerreichten Weise zu steigern. Das Geheimnis dieses Effekts sind Pyramiden aus Gold-Nanopartikeln, die auf einer metallischen Oberfläche angeordnet sind und hier ein regelmäßiges Muster unterschiedlicher Feldstärken erzeugen.

Pyramiden aus Gold-Nanopartikeln ermöglichen hochpräzise Einblicke in molekulare Strukturen

Wenn es darum geht, die Strukturen und Eigenschaften von Materialien aufzuklären, können spektroskopische Untersuchungen mithilfe der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (Surface Enhanced Raman Scattering, kurz: SERS) hochpräzise Ergebnisse liefern. Elektromagnetische Felder, die an den Oberflächen metallischer Partikel auftreten, werden dabei so verstärkt, dass die Streuung einfallender Lichtstrahlen Einblicke in den chemischen Aufbau einzelner Moleküle bieten.

Auf der Suche nach Wegen, dieses Verfahren noch leistungsfähiger zu machen, hat die Forschergruppe, in der die Bayreuther Chemiker mit Wissenschaftlern spanischer Universitäten und Forschungseinrichtungen zusammengearbeitet haben, ein ungewöhnliches filmartiges Material hergestellt. Darauf befinden sich winzige Pyramiden, die regelmäßig – wie bei einem karierten Muster – angeordnet sind. Jede Pyramide besteht dabei aus einer Vielzahl kugelförmiger Gold-Nanopartikel, hat Seitenlängen von 4,4 Mikrometern und ist 3,0 Mikrometer hoch. Die seitlichen Abstände zu den benachbarten Pyramiden betragen jeweils nur wenige Mikrometer.

Wie verteilen sich die elektromagnetischen Felder, die durch die Wechselwirkungen der Gold-Nanopartikel entstehen, auf der Oberfläche des Materials? Um dies herauszufinden, wurden die Pyramiden und die Zwischenräume mit 1-naphthalenethiol, einer aromatischen Verbindung, beschichtet. Das Ergebnis der spektroskopischen Untersuchung: Die Feldstärken sind auf den Seitenflächen der Pyramiden deutlich höher als zwischen den Pyramiden; die höchsten Feldstärken konzentrieren sich auf den Pyramidenspitzen. Die Oberfläche des Materials ist also gekennzeichnet durch eine regelmäßige Anordnung sehr verschiedener Feldstärken auf kleinstem Raum.

Diese Verteilung der Feldstärken ist eine hervorragende Voraussetzung, um den chemischen Aufbau einzelner Moleküle mithilfe von SERS sichtbar zu machen. Dazu müssen die Moleküle in den schmalen Räumen zwischen den Pyramiden eingelagert werden. „Die neue Oberfläche, die wir hier in Bayreuth entwickelt haben, ist ein vielversprechendes Substrat, um hochpräzise Informationen über die Strukturen einzelner Moleküle zu gewinnen“, erklärt Dr. Nicolas Pazos Peréz. „Auf diese Weise werden wir die Leistungsfähigkeit von SERS weiter steigern können, nachdem wir im vorigen Jahr nachgewiesen haben, welche grundsätzlichen Vorteile es mit sich bringt, wenn man spezielle Anordnungen von Gold-Nanopartikeln verwendet.“

Transportable SERS-Spektrometer können geringste Kohlenmonoxid-Anteile in der Luft aufspüren – und möglicherweise auch weitere Giftstoffe

Ausgehend von diesem Erfolg haben die spanischen Kooperationspartner getestet, ob sich die neuen Oberflächen dafür eignen, Kohlenmonoxid (CO) in der umgebenden Luft aufzuspüren. Dafür wurden die Gold-Nanopyramiden mit einer Schicht aus Eisen-Porphyrin überzogen. Die Moleküle dieser Schicht sind in der Lage, CO-Moleküle in unmittelbarer Nähe der Pyramiden-Oberflächen zu binden. Dadurch bilden die Oberflächen der regelmäßig angeordneten, beschichteten Pyramiden einen Sensor. In Kombination mit einem kleinen und leicht zu transportierenden SERS-Spektrometer kann ein solcher Sensor genutzt werden, um geringe CO-Konzentrationen in der umgebenden Luft aufzuspüren. Selbst CO-Konzentrationen von weniger als 40 ppm – also von weniger als 0,004 Prozent – werden entdeckt. Derart geringe Mengen lösen beim Menschen zwar keine Krankheitssymptome aus, schädigen auf Dauer aber dennoch den Organismus.

Ein kleines SERS-Spektrometer, in Verbindung mit den Oberflächen aus Gold-Nanopyramiden, kann daher ein wertvoller Beitrag zum Gesundheitsschutz sein – beispielsweise im Straßenbau oder auch in Wohnungen mit Verbrennungsöfen. „Es ist gut möglich, dass mit einem solchen Spektrometer und mit geeigneten Beschichtungen der Gold-Nanopyramiden auch noch andere Giftgasspuren in der Luft entdeckt werden können“, meint Dr. Nicolas Pazos Peréz. Nicht zuletzt im Hinblick auf solche Anwendungsperspektiven hat die Zeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ den Forschungsbeitrag des Bayreuther Teams und seiner Partner in Spanien als „Hot Paper“ ausgezeichnet.

Hintergrund:

An der internationalen Forschungsgruppe, die diesen Beitrag veröffentlicht hat, waren –

zusammen mit Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Peréz und Moritz Tebbe M.Sc. am Lehrstuhl Physikalische Chemie II der Universität Bayreuth – Wissenschaftler der folgenden spanischen Einrichtungen beteiligt: Universitat Rovira i Virgili, Tarragona; Universidad de Vigo; ICREA - Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats, Barcelona.

Veröffentlichung:

Alba M, Pazos-Perez N, Vaz B, Formentin P, Tebbe M, Correa-Duarte MA, Granero P, Ferré-Borrull J, Alvarez R, Pallares J, Fery A, de Lera AR, Marsal LF, Alvarez-Puebla RA,
Macroscale plasmonic substrates for highly sensitive surface-enhanced Raman scattering
in: Angewandte Chemie International Edition, 2013 Jun 17;52(25):6459-63.
DOI: 10.1002/anie.201302285
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Andreas Fery
Dr. Nicolas Pazos Peréz
Lehrstuhl für Physikalische Chemie II
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Telefon: +49 (0) 921 55-2751
E-Mail: andreas.fery@uni-bayreuth.de / nicolas.pazos@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de
http://www.uni-bayreuth.de/presse/Aktuelle-Infos/2013/203-Goldpyramiden-Sensoren.pdf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Europäisches Exzellenzzentrum für Glasforschung
17.03.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

nachricht Vollautomatisierte Herstellung von CAD/CAM-Blöcken für kostengünstigen, hochwertigen Zahnersatz
16.03.2017 | Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise