Chemiker:innen der Universität Duisburg-Essen entwickeln gemeinsam mit Forschenden der Kyung Hee University in Seoul neuartige molekulare Sensoren zur Detektion von Spurenstoffen. Im Mittelpunkt stehen mechanisch verzahnte Moleküle, sogenannte Rotaxane. Rotaxane reagieren gezielt auf bestimmte Stoffe und können diese über Lichtsignale sichtbar machen.

Sensorkonzept auf molekularer Ebene

Ziel des Projekts „Stimuli-responsive Rotaxane als eine neue schaltbare molekulare Plattform für ratiometrische elektrochemolumineszente Sensoren“ ist die Entwicklung neuartiger Sensorplattformen zur Detektion von Analyten, also chemischen Stoffen, die in Umwelt- oder biologischen Proben erkannt und quantifiziert werden sollen.

Supramolekulare Chemie und Rotaxane

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jochen Niemeyer von der Universität Duisburg-Essen (UDE) bringt ihre Expertise in der supramolekularen Chemie und mit Rotaxanen ein. Diese Moleküle bestehen aus einem ringförmigen Bestandteil, der auf einer beidseitig blockierten Achse sitzt. Die beiden Komponenten sind mechanisch miteinander verknüpft, ohne kovalent zu sein, wodurch gezielte Bewegungen und Strukturänderungen möglich werden.

Elektrochemolumineszenz als Messprinzip

Die Partner der Kyung Hee University in Seoul (Südkorea) ergänzen das Projekt durch ihre Erfahrung in elektroanalytischer Chemie und Elektrochemolumineszenz (ECL). Bei diesem Verfahren entsteht Licht als Folge elektrochemischer Reaktionen an einer Elektrode. Dieses Licht dient als Signal für das Vorhandensein und die Konzentration eines Zielstoffs.

Schaltbare Sensoren durch Lichtsignale

In dem Projekt statten die Forschenden die Rotaxane mit Luminophoren aus. Bindet ein Analyt an das Molekül, verändert sich dessen Form. Dies führt zu messbaren Änderungen der Lichtemission. Durch die parallele Auswertung zweier Lichtsignale soll sich die Konzentration des Zielstoffs besonders präzise bestimmen lassen.

Anwendungen in Umweltanalytik und Diagnostik

Die Forschenden testen die neu entwickelten Sensoren unter anderem für Fluorid und Wasserstoffperoxid sowie verschiedene Enzyme. In einem weiteren Schritt sollen sie an Realproben eingesetzt werden, etwa zur Wasseranalyse in der Umweltanalytik sowie zur Untersuchung von Blut- und Serumproben in der biologischen Diagnostik.

Internationale Förderung und Zusammenarbeit

Das Projekt deckt den gesamten Entwicklungsweg ab: vom molekularen Design über die Synthese bis hin zur Anwendung der Sensoren. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und die National Research Foundation of Korea fördern das deutsch-koreanische Projekt für drei Jahre. Die Förderung erfolgt auf beiden Seiten: Rund 225.000 Euro erhält die Universität Duisburg-Essen, etwa 265.000 Euro gehen an die Kyung Hee University.