NaPiDro - Nanoelektroden in Pikoliter-Tröpfchen: neue Möglichkeiten für Einzelmolekülchemie

• Antragsteller: Professor Dr. Gunther Wittstock
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 381141986

In diesem Vorhaben wollen die Antragsteller das Redoxverhalten einer kleinen Anzahl von Molekülen verstehen, letztlich bis hin zum Verhalten einzelner Moleküle. Zur Untersuchung sollen elektrochemische Techniken zum Einsatz kommen, die anders als optische Verfahren eine Beobachtung dieser Eigenschaften ohne wesentliche Einträge von Strahlungsenergie gestatten. Eine besonders interessante Zielreakton ist die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR, oxygen reduction reaction), die sowohl in biologischen Systemen als auch in einer Reihe von technischen Systemen eine große Bedeutung besitzt. Dabei stehen zwei Aspekten im Mittelpunkt: a) Wir möchten die Bildung und die Folgereaktionen von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS, reactive oxygen species) beobachten und beschreiben. Die Entstehung dieser Verbindungen, z.B. Superoxid, ist für die elektrochemische Reduktion von O2 in organische Elektrolyte gut belegt. Es gibt aber immer mehr Hinweise, dass sie auch in wässrigen Elektrolyten entstehen, dort aber sehr schnell zerfallen oder weiterreagieren. Die nanoskopischen Abmessungen der neuen, von uns hier vorgeschlagenen elektrochemischen Zelle sollen die Detektion dieser Moleküle ermöglichen, bevor sie in Folgereaktionen eintreten. b) Wir werden die katalytische Aktivität einer kleinen Zahl von Enzymmolekülen (Laccase, Bilirubin-Oxidase) für die Sauerstoffreduktionsreaktion innerhalb einer elektrochemischen Zelle über die Zeit verfolgen, um insbesondere die Deaktivierung von diesen Enzymen zu verstehen (graduelle oder schrittweise Deaktivierung einzelner Enzymmoleküle).Die erforderliche Empfindlichkeit und Nachweisgrenzen werden durch die Kombination zweier Errungenschaften der Antragsteller ermöglicht. Dabei sollen Nanoelektroden aus unterschiedlichen Materialien und in unterschiedlichen Anordnungen mit einer neuen Dosiertechnik von Tröpfchen mit Volumina zwischen Attolitern und Nanolitern mit einer unmittelbar anschießenden Steuerung ihrer Position und Bewegung zum Einsatz kommen. Dies erlaubt es kleine Elektrolytvolumina auf eine elektrochemische Zelle mit Arbeits- und Gegenelektroden mit Abmessungen im Mikrometer- und Nanometerbereich zu platzieren. Damit werden bisher unbekannte elektrochemische Zellen mit einer Kombination aus nanometergroßen Elektroden und anpassbaren flüssigem Elektrolytvolumina von 1E-18 to 1E-9 L realisiert. Die Mikrotröpfchen stellen eine Umgebung dar, innerhalb derer eine extrem schneller Massentransport realisiert werden kann, so dass entweder das Prinzip des Redoxzyklisierens genutzt werden kann, um die nötigen Empfindlichkeiten für eine Einzelmoleküldetektion zu erreichen oder um eine vollständige Umsetzung innerhalb sehr kurzer Zeit zu erreichen. Für kurzlebige Verbindungen verhindert das abgeschlossene Volumen des Tröpfchens die Ausbreitung durch Diffusion und ermöglicht die Entstehung messbarer Konzentrationen mit einer sehr geringen Anzahl umgesetzter Moleküle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Dr. Wojciech Nogala; Professor Dr. Marcin Opallo