Zunächst war Grundlagenforschung nötig, um einen Nachweis für TNT (Trinitrotoluol) zu finden, der sich in einer kleinen mobilen Einheit durchführen lässt. „Vor einigen Jahren standen in der Umweltanalytik mit Fokus auf Rüstungsaltlasten Antikörper als biologische Rezeptoren für TNT hoch im Kurs. Allerdings sind Antikörper nicht für Temperaturen von über 80 °C und den Nachweis von Stoffen aus der Gasphase geeignet. Diese beiden Voraussetzungen sind jedoch entscheidend für den Einsatz des Sprengstoffsensors“, erklärt Rurack.

Ziel war es, einen Nachweis zu entwickeln, der auf Fluoreszenz von Farbstoffen basiert. „Angefangen haben wir bei null. Vorher habe ich mich mit Nachweisen für Schwer-, Alkali- und Erdalkalimetallionen beschäftigt. Zu Beginn der Entwicklungen wurde viel zu molecular switches und molecular logic gates geforscht, deren Einsatz aber wenig vielversprechend war. Doch von den Schaltmechanismen dieser funktionellen Farbstoffe konnten wir viel für das Design von effizienten Indikatoren lernen“, erinnert sich Rurack.

Erste Versuche für einen TNT-Nachweis mit Indikatorfarbstoffen scheiterten. In diesen Ansätzen wurden Indikatorfarbstoffe zusammen mit TNT in Polymermatrices eingebaut – also eine fluoreszierende Polymermatrix mit TNT „geprägt“. Allerdings waren die Affinitäten zwischen TNT und den Polymerkomponenten zu gering. Nach einigen Versuchen löste Ruracks Team das Problem, indem es zwei spezielle Indikatorfarbstoffe auf einer Polymermatrix verankerte, so dass TNT selektiv nachgewiesen werden konnte, was mit einzelnen Farbstoffen nicht möglich war.

Für den Fluoreszenz-Nachweis dient ein Farbstoff mit Diphenylacetylen-Gerüst als Indikator. TNT löst sich nur schwer in Wasser und haftet somit noch lange auf der Haut bzw. verteilt sich auf Oberflächen. Zunächst wird eine Wischprobe von der zu untersuchenden Oberfläche genommen. Das Trägermaterial der Wischprobe wird dann auf 150°C erhitzt, wodurch sich vorhandene Sprengstoffmoleküle lösen. Ein Luftstrom saugt die Sprengstoffmoleküle zu einem Chip – einer Platte ähnlich groß wie eine Briefmarke. Auf dem Chip befindet sich in einer Vertiefung der Indikatorfarbstoff. Der Farbstoff reagiert mit den Sprengstoffmolekülen, wodurch er sein Fluoreszenzverhalten ändert. In der Folge leuchtet er schwächer, wenn er mit einer Lichtquelle bestrahlt wird. Diese Veränderung wird von einer Fotodiode erkannt, die ein elektrisches Signal sendet. Nach der digitalen Verarbeitung zeigt ein rotes Warnzeichen am Sensor-Display dieses Signal an: Der Test ist positiv.

Besonders gegen Ende war Präzisionsarbeit gefragt. „Am Ende ging es vor allem darum, die zwei Hälften des Chips präzise zu verschweißen. Zum einen durfte die Chemie nicht zerstört werden, zum anderen keine Lecks entstehen“, erklärt Rurack.

Dr. Rurack stellt fest: „Forschung ist nicht linear. Das Ergebnis ist nur die Spitze des Eisbergs. Aber es ist schön zu sehen, wie aus Grundlagenforschung über Technologietransfer ein marktreifes Produkt entsteht.“ Insgesamt hat sein Team zehn Jahre gebraucht – von der Grundlagenforschung bis hin zum fertigen tragbaren Sensor, der gerade einmal zwei Kilo wiegt. Das nächste Ziel ist es nun, den Sensor auf den Markt zu bringen.

Wissenschaftliche Beratung: Dr. rer. nat. Knut Rurack, Leiter Fachbereich 1.9 Chemische und optische Sensorik, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Weitere Informationen: BAM-Report 2020/2021