Tomáš Lednický entwickelt kostengünstige optische Sensoren für Umwelt- und Gesundheitsanalysen

Ob verunreinigtes Trinkwasser oder schädliche Gase – viele Schadstoffe gelangen unbemerkt in die Umwelt und lassen sich schwer erfassen. Ihr Nachweis erfordert oft spezialisierte Labore, teure Messgeräte und lange Analysezeiten. In vielen Regionen der Welt bleibt eine regelmäßige Umweltüberwachung deshalb schwierig. Tomáš Lednický arbeitet an einer Alternative: optische Sensoren auf Basis von Gold-Nanopartikeln, die Wasser- und Luftqualität präziser, schneller und günstiger erfassen sollen.

Ein Sensor, der Schadstoffe mit Licht nachweist – kompakt, kostengünstig und mit tragbaren Messsystemen perspektivisch auch außerhalb spezialisierter Labore nutzbar: In seinem Postdoc-Projekt am Leibniz-IPHT erforscht Dr. Tomáš Lednický, wie Gold-Nanopartikel als optische Sensoren hergestellt und für verschiedene Anwendungen optimiert werden können.

Tomáš Lednický studierte Physikalische Ingenieurwissenschaften und Nanotechnologie im tschechischen Brünn und absolvierte Forschungsaufenthalte in Frankreich und Österreich. Mit einer Marie-Skłodowska-Curie-Förderung (MSCA) der EU kam er für sein Postdoc-Projekt DESIRE ans Leibniz-IPHT nach Jena. „Das Institut bietet mir die Möglichkeit, mit internationalen Partnern zusammenzuarbeiten und meine Forschung auf LSPR-Sensoren weiterzuentwickeln“, sagt Tomáš Lednický. Besonders wichtig sei ein interdisziplinärer Ansatz, der Nanofabrikation und Biosensorik verbindet.

Gold als Präzisionswerkzeug

Gold ist mehr als ein Edelmetall – auf Nanometerskala wird es zu einem leistungsstarken Sensor. Gold-Nanopartikel interagieren mit Licht, und ihre optischen Eigenschaften verändern sich abhängig von ihrer unmittelbaren Umgebung – ein Effekt, der als lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) bekannt ist. „Die Idee ist simpel: Die Sensoren funktionieren wie ein optisches Lackmuspapier“, erklärt Tomáš Lednický. „Wenn ein Molekül an der Goldoberfläche bindet, verändert sich das übertragene Licht – und wir können das messen.“

Der Sensor reagiert allerdings nicht spezifisch auf einzelne Stoffe, sondern auf jede Veränderung in seiner Umgebung – etwa des Brechungsindex. „Unsere Sensoren sind sehr empfindlich, aber nicht von sich aus selektiv“, sagt Tomáš Lednický. „Um gezielt bestimmte Verbindungen nachzuweisen, müssen wir sie funktionalisieren.“ Dazu lassen sich passende Moleküle an die Gold-Nanopartikel koppeln: etwa DNA-Sequenzen, die nur an komplementäre Erbinformation binden – zum Beispiel von Viren oder Bakterien. „Ebenso können wir Moleküle einsetzen, die Hormone, Arzneimittelrückstände oder Schwermetalle erkennen. Diese Funktionalisierung macht unsere Sensoren extrem vielseitig.

Hochsensitive Sensoren – ohne hohe Kosten

Die Herstellung geordneter Nanostrukturen mit weniger als 100 Nanometern auf großer Fläche ist aufwendig und teuer. Elektronenstrahllithografie, eine Technik für präzise Nanostrukturierung, kann die Produktionskosten auf bis zu zehntausend Euro pro Wafer treiben. Tomáš Lednický entwickelte eine alternative Methode, die diese Kosten drastisch reduziert.

Dazu wird eine selbstorganisierte, wabenartige Oxidschicht auf Aluminium erzeugt und anschließend entfernt. Dadurch entsteht ein feines Netzwerk aus nanoskaligen Vertiefungen, das als Schablone für eine Goldschicht dient. Wird diese erhitzt, bilden sich durch Entnetzung Nanopartikel. „Schon bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen entstehen winzige Goldtröpfchen – ähnlich wie Wassertropfen, wenn eine dünne Eisschicht schmilzt“, sagt Tomáš Lednický. Das Ergebnis: hochsensitive Sensoren, die für weniger als fünf Euro pro Quadratzentimeter produziert werden können.

Präzisere Bewertung der Empfindlichkeit

Ein wichtiger Schritt in der Sensorentwicklung ist die Bewertung ihrer Empfindlichkeit. Plasmonische Sensoren werden häufig mit Flüssigkeiten unterschiedlicher Brechungsindizes kalibriert. Doch auf der Nanoskala kann dieses Verfahren zu Ungenauigkeiten führen – etwa durch die Bildung dünner Adsorptionsschichten.

Um dies zu verbessern, entwickelte Tomáš Lednický 2024 gemeinsam mit weiteren Forschenden einen neuen Ansatz zur objektiven Bewertung plasmonischer Sensoren – demonstriert an Gassensoren. „Bislang gab es keinen standardisierten Weg, die Leistung solcher Sensoren zu vergleichen“, erklärt er. Ihr Modell berücksichtigt den Sensitivitätsabfall von der Nanopartikel-Oberfläche sowie die Dicke der gemessenen Schicht. „So können wir erstmals quantifizieren, welche Sensoren tatsächlich empfindlicher sind – unabhängig vom Detektionsmedium.“

Gasdetektion ist dabei ein besonders anspruchsvolles Testfeld. „Gase sind schwer nachweisbar, vor allem wegen ihrer Stabilität und ihres geringen Brechungsindex“, sagt Tomáš Lednický. Um diese Herausforderung zu lösen, arbeitet er daran, die Gold-Nanopartikel mit ultradünnen Schichten bekannter gasreaktiver Materialien wie Wolfram- oder Zinkoxid zu beschichten. So können die Sensoren gezielt auf bestimmte Gase reagieren. Ein entscheidender Vorteil gegenüber vielen kommerziellen Gassensoren: Sie funktionieren bei Raumtemperatur, erlauben Fernerkennung – und das zu deutlich geringeren Kosten.

Internationale Zusammenarbeit für globale Lösungen

Tomáš Lednický arbeitet mit Forschenden aus aller Welt zusammen, darunter aus Ungarn, Portugal und Tschechien. Im vergangenen Jahr präsentierte er seine Forschungsergebnisse auf der IEEE-Nano-Konferenz in Spanien und auf der Eurosensors-Konferenz in Ungarn. „Viele Labortechniken, die in Europa Standard sind, stehen anderswo nicht zur Verfügung“, sagt Tomáš Lednický. „Wenn wir eine Technologie entwickeln, die präzise, erschwinglich und einfach anzuwenden ist, könnten wir Umwelt- und Gesundheitsanalysen für viele Menschen zugänglicher machen.“

Original-Publikation: https://doi.org/10.1021/acsami.4c11102