Edelmetall im Bakterienkäfig – empfindlicher Gassensor durch Bio-Nanotechnik

Mit Hilfe von Bakterienproteinen haben Siemens-Forscher die Schlüsselbausteine für einen extrem empfindlichen Gassensor hergestellt.

Wie das Forschungsmagazin „Pictures of the Future“ in seiner neuen Ausgabe berichtet, soll der winzige Sensor Gase bereits in einer Konzentration von zehn ppm (parts per million) erfassen können. Die Auswertung erfolgt elektrisch, was gegenüber einer optischen Detektion wesentlich einfacher und robuster ist.

Die Forscher aus München-Perlach arbeiten mit einem Team der Technischen Universität Dresden zusammen, das aus Eiweißen, die in der Zellwand von Bakterien sitzen, eine künstlich geordnete Struktur erzeugt. Die Proteine ordnen sich unter bestimmten Bedingungen zu einer zweidimensionalen Schicht mit nur wenigen Nanometern (Milliardstel Meter) großen Poren an. Die Struktur gleicht einem winzigen Eierkarton mit mehreren Millionen Vertiefungen. Darin können katalytisch aktive Edelmetalle, zum Beispiel Platin, abgeschieden werden. Die Metallkörnchen passen sich der Struktur an und können so nur wenige Nanometer groß wachsen. Das System besitzt zudem eine extrem große Oberfläche. Die Proteine selbst wirken lediglich als Schablone für die nanostrukturierten Metalle. Sie sind für die Funktion nicht notwendig und zerfallen im Betrieb.

Der 100 mal 100 Mikrometer große Gassensor besteht aus dem Nano-Eierkarton und einer dünnen Schicht aus so genanntem pyroelektrischen Material. Für eine Konzentrationsmessung muss eine chemische Reaktion stattfinden, bei der das Platin als Katalysator wirkt, beispielsweise die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Bei dieser Umsetzung ändert sich die Temperatur am Sensor geringfügig. Diese Änderung wiederum setzt das pyroelektrische Material in ein elektrisches Signal um. Aus der Stärke des Signals ist die Konzentration des Kohlenmonoxids berechenbar.