Zweifach vernetzte supramolekulare Hydrogele für Sensoranwendungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerald Gerlach; Professor Dr. Dirk Kuckling
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501220359

Das hier beantragte Projekt zielt auf die Erforschung von Sensoren ab, die auf in (Hydro-)Gelen inkorporierten, supramolekularen Wirt/Gast-Strukturen basieren. Als interessante und relevante Analyten wurden spezielle Biomarker (Spermin, Spermidine), Doping-Substanzen (N-Methylhexanamin) und Fungizide (Difenoconazol) ausgemacht. (Hydro-)Gele sind als aktive Materialien seit einigen Jahren etabliert. Die Volumenänderungen bei Reaktion auf einen Stimulus kann mit Hilfe eines Transducers sehr gut zur Generierung eines Sensorsignals genutzt werden. Die Inkorporation von geeigneten Wirt/Gast- (WG-) Strukturen ermöglicht es, eine hohe Selektivität in Bezug auf die untersuchten Analyten zu erzielen. In der vorgestellten Projektidee entsteht die Vernetzung durch die Ausbildung von physikalischen Wechselwirkungen durch Inklusion zwischen einem Wirt-Molekül sowie einem Gast-Molekül. Das Wirt-Molekül bildet dabei strukturbedingt eine topologische Kavität. Moleküle, die in diese Kavität eindringen können und dort mit dem Wirt wechselwirken, werden als Gast-Moleküle zusammengefasst. Die Art der Wechselwirkungen, die zwischen den beiden Spezies ausgebildet wird, ist hierbei rein physikalisch und nicht kovalent und daher reversibel. In „intelligenten“ Hydrogelen mit WG-Vernetzungen wird die Bandbreite an möglichen bindungsfähigen Guest-Molekülen dafür benutzt, um eine substanzspezifische Reaktion des Gels auszulösen. Hierzu wird dem WG-System (WG1) ein Fremdmolekül/ion zugeführt, welches ebenfalls mit dem Wirt in Wechselwirkung treten kann. Ebendiese Wechselwirkung mit der Kavität des Wirt-Moleküls führt zu einer Konkurrenzbildung eines weiteren WG-Komplexes (WG2), durch die es zur Verdrängung des ursprünglichen Gasts aus der Wirt-Kavität kommt. In Folge des Austauschs kommt es zum Bruch der Vernetzungen, wodurch das Hydrogel in der (wässrigen) Matrix zu quellen beginnt. Zusätzlich zur primären Quellung durch Einlagerung von Lösungsmittel quillt das Gel in doppelt-vernetzen Hydrogelen zusätzlich durch Verminderung des Vernetzungsgrades. Während dabei viele Moleküle als Gast-Spezies fungieren können, solange sie in die Kavität hineinpassen und mit dieser wechselwirken können, ist die Wahl der möglichen Wirt-Moleküle eingeschränkt. Von großem Interesse sind hier die Cyclodextrine (a-CD und b-CD) und die Gruppe der Pillar-Arene (P[5]a und P[6]a). Für eine gute Detektion eines Analyten ist das Wirt-Gast-Paar so zu wählen, dass es eine geringere Bindungskonstante als das Wirt-Analyt-Paar (WA) besitzt. Auf der anderen Seite darf die Bindungskonstante der WG-Paares auch nicht zu klein sein, da sonst kein Effekt bei Analyt-Zugabe beobachtet werden kann. Als ein gutes Verhältnis der Bindungskonstanten (WA / WG) wird 100 angesehen. In einem Mikrosensor führt die Quellungsveränderung eines „intelligenten“ Hydrogels (chemo-mechanischer Wandler) schließlich durch einen piezoresistiven Si-Drucksensorchip (mechano-elektrischer Wandler) zur einen Sensorsignal.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen