In de analytische chemie is het vaak nodig om de concentratieverandering van bepaalde stoffen in vloeistoffen op een tijdschaal van seconden nauwkeurig te volgen. Vooral in de farmaceutische industrie moeten dergelijke metingen uiterst gevoelig en betrouwbaar zijn.

Aan de TU Wien is een nieuw type sensor ontwikkeld die zeer geschikt is voor deze taak en een aantal belangrijke voordelen op een unieke manier combineert:op basis van op maat gemaakte infraroodtechnologie is hij aanzienlijk gevoeliger dan eerdere standaardapparaten. Bovendien kan het worden gebruikt voor een breed scala aan molecuulconcentraties en kan het direct in de vloeistof werken. Dit is het gevolg van zijn chemische robuustheid en levert zo gegevens in realtime, d.w.z. binnen fracties van een seconde. Deze resultaten zijn nu gepubliceerd in Nature Communications .

Verschillende moleculen absorberen verschillende golflengten

"Om de concentratie van moleculen te meten, gebruiken we straling in het midden-infrarode spectrale bereik", zegt Borislav Hinkov, hoofd van het onderzoeksproject van het Institute of Solid State Electronics aan de TU Wien. Dit is een bekende techniek:moleculen absorberen specifieke golflengten in het midden-infraroodbereik, terwijl andere golflengten zonder demping worden doorgelaten. Zo hebben verschillende moleculen hun zeer specifieke 'infraroodvingerafdruk'. Door nauwkeurig het golflengte-afhankelijke absorptiesterkteprofiel te meten, is het mogelijk om op elk moment de concentratie van een bepaald molecuul in het monster te bepalen.

Infraroodspectroscopie wordt al lange tijd routinematig gebruikt bij gasdetectie. De nieuwe prestatie van het team van de TU Wien is de implementatie van deze technologie op een sensorchip ter grootte van een vingertop, die specifiek geschikt is voor vloeistofdetectie. Het ontwikkelen van zo'n sensor was zowel een technologische als een analytische uitdaging, omdat vloeistoffen infraroodstraling veel sterker absorberen dan gassen. De compacte vloeistofsensor is gerealiseerd in samenwerking met Benedikt Schwarz van het Institute of Solid State Electronics en gefabriceerd in het Center for Micro- en Nanostructures, de ultramoderne cleanroom van de TU Wien.

"Voor een meting hebben we maar een paar microliter vloeistof nodig", zegt Borislav Hinkov. "En de sensor levert gegevens in realtime - vele malen per seconde. Zo kunnen we een verandering in concentratie in realtime nauwkeurig volgen en het huidige stadium van een chemische reactie in de beker meten. Dit staat in sterk contrast met andere referentietechnologieën , waar u een monster moet nemen, analyseer het en wacht tot minuten op het resultaat."

Samenwerking tussen verschillende disciplines is de sleutel

Dit werd mogelijk gemaakt door een samenwerking tussen de afdelingen elektrotechniek en scheikunde van de TU Wien:het Institute of Solid State Electronics heeft ruime ervaring in het ontwerpen en fabriceren van zogenaamde quantum cascade lasers en detectoren. Het zijn kleine op halfgeleiders gebaseerde apparaten die infrarode laserstraling kunnen uitzenden of detecteren met een nauwkeurig gedefinieerde golflengte op basis van hun micro- en nanostructuur.

De infraroodstraling die door zo'n laser wordt uitgezonden, dringt de vloeistof binnen op de micrometer-lengteschaal en wordt vervolgens gemeten door de detector op dezelfde chip. Met behulp van deze speciaal gecombineerde ultracompacte lasers en detectoren werd een detectieapparaat gerealiseerd en de prestaties ervan werden getest in eerste proof-of-concept-metingen. Het werk werd uitgevoerd in samenwerking met de groep van Bernhard Lendl van het Institute for Chemical Technologies and Analytics.

Experimentele demonstratie:een eiwit verandert van structuur

Om de prestaties van de nieuwe midden-infraroodsensor te demonstreren, werd een reactie uit de biochemie geselecteerd:een bekend modeleiwit werd verwarmd, waardoor de geometrische structuur ervan veranderde. Aanvankelijk heeft het eiwit de vorm van een spiraalvormige spiraal, maar bij hogere temperaturen ontvouwt het zich tot een platte structuur. Deze geometrische verandering verandert ook het specifieke mid-infrarode vingerafdrukabsorptiespectrum van het eiwit. "We hebben twee geschikte golflengten geselecteerd en geschikte op kwantumcascade gebaseerde sensoren gefabriceerd, die we op een enkele chip hebben geïntegreerd", zegt Borislav Hinkov. "En inderdaad, het blijkt:je kunt deze sensor gebruiken om de zogenaamde denaturatie van het geselecteerde modeleiwit met hoge gevoeligheid en in realtime waar te nemen."

De technologie is extreem flexibel. Het is mogelijk om de benodigde golflengten naar behoefte aan te passen om verschillende moleculen te bestuderen. Het is ook mogelijk om op dezelfde chip nog meer kwantumcascadesensoren toe te voegen om verschillende golflengten te meten en zo de concentratie van verschillende moleculen tegelijkertijd te onderscheiden. "Dit opent een nieuw veld in de analytische chemie:realtime mid-infraroodspectroscopie van vloeistoffen", zegt Borislav Hinkov.

De mogelijke toepassingen zijn zeer divers:van de waarneming van thermisch geïnduceerde structurele veranderingen van eiwitten en soortgelijke structurele veranderingen in andere moleculen, tot de real-time analyse van chemische reacties, bijvoorbeeld bij de productie van farmaceutische geneesmiddelen of in industriële productieprocessen. Overal waar de dynamiek van chemische reacties in vloeistoffen moet worden bewaakt, kan deze nieuwe techniek belangrijke voordelen opleveren. + Verder verkennen

De kwantumspeurhond