Onderzoek naar koolstofnanobuizen toont aan dat lokale oplossing doorslaggevend is voor fluorescentie van biosensoren

Aan de Ruhr-universiteit werkten de groepen van professor Martina Havenith en professor Sebastian Kruss samen aan een nieuwe studie, die plaatsvond als onderdeel van de Cluster of Excellence “Ruhr Explores Solvation”, of kortweg RESOLV. Ook promovendi Sanjana Nalige en Phillip Galonska leverden een belangrijke bijdrage aan het onderzoek, dat nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Enkelwandige koolstofnanotubes zijn krachtige bouwstenen voor biosensoren, zoals eerdere studies hebben aangetoond. Hun oppervlak kan chemisch worden aangepast met biopolymeren of DNA-fragmenten om specifiek te interacteren met een bepaald doelmolecuul.

Wanneer zulke moleculen zich binden, veranderen de nanotubes hun emissie in het nabije infraroodbereik, dat diep in weefsel doordringt. Op deze manier kan bijvoorbeeld de aanwezigheid van bepaalde neurotransmitters, oftewel boodschapperstoffen in de hersenen, worden gedetecteerd. Hoewel zulke sensoren al in gebruik zijn, is hun exacte werkingsprincipe onduidelijk.

Omdat de meeste relevante biologische processen in water plaatsvinden, analyseerden de onderzoekers de koolstofnanotubes in een waterige oplossing. Met behulp van terahertzspectroscopie konden ze detecteren hoe energie tussen de koolstofnanotubes en het water stroomt.

De doorslaggevende factor is de hydratatieschil van de biosensoren, oftewel de watermoleculen die de nanotubes omringen. Wanneer een koolstofnanotube wordt geëxciteerd, kan de interne energie worden gekoppeld aan de trillingen van de hydratatieschil.

Energiestromen tussen het water en de nanotubes: Sensoren die helderder worden in de aanwezigheid van de analyt, brengen minder energie over in het water. Sensoren die zwakker worden, brengen daarentegen meer energie over in het water.

“Terahertz-spectroscopie stelt ons in staat om direct te meten wat we voorheen alleen vermoedden”, zegt Sebastian Kruss. “Deze inzichten bieden een algemeen en rationeel ontwerpprincipe om optimale biosensoren te ontwikkelen met de beste prestaties voor nieuwe toepassingen in onderzoek en geneeskunde.”

Martina Havenith, woordvoerder van de Cluster of Excellence RESOLV, voegt toe: “In deze interdisciplinaire studie hebben we de schijnwerpers niet op de koolstofnanobuis zelf gericht. In plaats daarvan hebben we de schijnwerpers gericht op het oplosmiddel, water, en een voorheen onbekende directe correlatie ontdekt met de veranderingen in het water rond de koolstofnanobuis en de functie als biosensor. Dit is precies waar RESOLV voor staat.”