Feuchtesensor: Hybrid-Nanoelektronik aus lebenden Bakterien und Goldnanopartikeln

Lebewesen als integrale Bestandteile elektronischer Bauteile? Was sich im ersten Moment nach Science Fiction anhören mag, ist ein ernst zu nehmender Ansatz für die Nanoelektronik von morgen. Lebende Mikroorganismen könnten die hier benöigten Nanostrukturen liefern. Forscher von der University of Nebraska (Lincoln, USA) zeigten nun, dass mit Goldnanopartikeln belegte Bakterien als eine Art Feuchtesensor fungieren können.

Metallische Nanopartikel haben völlig andere elektronische Eigenschaften als größere Partikel; sie sind daher sehr interessant für die Nanoelektronik. Um Nanopartikel nutzen zu können, müssen sie auf einen geeigneten Träger aufgebracht werden. "Biologische Strukturen haben sich als vielverprechende Träger erwiesen," erklärt Ravi Saraf, "vor allem wenn es gelingt, ihre Antworten auf einen Reiz zu integrieren."

Saraf und sein Mitstreiter Vikas Berry stellten einen mit hauchfeinen Elektroden aus Gold überzogenen Chip her und gaben eine Suspension von Bacillus cereus auf. Auf einer derartigen Oberfläche lagern sich die länglichen Bakterien grundsätzlich so an, dass sie Brücken zwischen den Elektrodenpaaren bilden. Nun kommen die Nanopartikel ins Spiel: Die Forscher tunkten ihren Chip in eine Lösung von Goldnanopartikeln, die mit Polylysin, einem synthetischen Protein, beschichtet waren. Von der Bakterienoberfläche werden die winzigen Goldkügelchen stark angezogen. Diese trägt lange bürstenförmige, sehr bewegliche Kettenmoleküle, die negativ geladen sind. Wie Tentakeln umfassen sie die - durch das Polylysin positiv geladenen - Goldpartikel und halten sie fest. Am Ende des Prozesses sind die Bakterien von einer dünnen Schicht aus Goldnanopartikeln umhüllt - und immer noch am Leben.

Die Forscher legten eine Spannung von 10 V an die Elektrodenpaare auf dem Chip und maßen den Strom über die bakteriellen Brücken - fertig war der bioelektronische Feuchtesensor: Wird der Feuchtigkeitsgehalt der Umgebung von 0 auf 20 % erhöht, geht der registrierte Strom um den Faktor 40 zurück. Warum reagiert dieser Chip derart empfindlich auf Feuchteänderungen? Bei Feuchtigkeit schwillt die Bakterienmembran an. Dadurch vergrößern sich die Abstände zwischen den einzelnen angelagerten Goldnanopartikeln um etwa 0,2 nm. Das ist nicht viel, aber es reicht, um den Elektronentransport zwischen den Partikeln zu erschweren. Denn anders als bei einer "normalen" makroskopischen Goldschicht, in der die Elektronen wie in einer Leitung ungehindert "fließen" können, müssen sie hier von einem Partikel zum nächsten "hüpfen".

"Unser Feuchtesensor beweist das enorme Potenzial, das in hybriden Strukturen aus Mikroorganismen und Nanopartikeln schlummert," sagt Saraf.

Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh)