Towards an Artificial Synapse: Synthesis and Characterization of a Carbon Nanotube-based, Switchable Nanofluidic Transport System for Neurotransmitters
Final Report Abstract
Während des Forschungsaufenthaltes bei Michael Strano am MIT konnte ich tiefe Einblicke in die Chemie und Physik von Kohlenstoffnanomaterialien gewinnen und außerdem Anwendungen in der Bioanalytik erforschen. Michael Strano ist einer der führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Kohlenstoffnanoröhren und der Erforschung ihrer optischen Eigenschaften. Da ich zuvor nicht an Kohlenstoffnanomaterialien gearbeitet habe, war insbesondere das erste Jahr vom Erlernen und Anwenden neuer Techniken und Methoden geprägt. Die Aufreinigung von Kohlenstoffnanoröhren war noch nicht etabliert. Daher war deren Einsatz für die Nanofluidik und das Entwickeln einer künstlichen Synapse während des Aufenthaltes (noch) nicht möglich. Deswegen wurden hauptsächlich die Funktionalisierung von Kohlenstoffnanoröhren und deren optoelektronische Eigenschaften erforscht. Die optischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren sind ein sehr wichtiges Forschungsfeld und in Deutschland noch unterrepräsentiert (im Vergleich zu den USA und der Bedeutung des Themas). Mein Hauptinteresse war die Detektion von Neurotransmittern - ein bisher ungelöstes Problem in der bioanalytischen Chemie und auch damit für die Neurowissenschaften. Durch mein Forschungsprojekt wurde von mir ein komplett neues Thema, nämlich die Detektion von Neurotransmittern, im Labor von Michael Strano eingeführt. Innerhalb der letzten zwei Jahren wurden in den USA die ,Brain Initiative’ und in Europa das ,Human Brain Projekt' lanciert. Beides zeigt auch, dass neue materialbasierte Methoden insbesondere für die Neurowissenschaften essentiell sind und ein attraktives Forschungsziel für das nächste Jahrzehnt. Das Hauptergebnis des Forschungsprojektes ist ein optisches Sensor-Konzept für den Neurotransmitter Dopamin. Ich konnte zeigen, dass man die Fluoreszenz von Kohlenstoffnanoröhren im nahen Infrarot ausnutzen kann um Botenstoffe wie Dopamin zu detektieren. In Zukunft könnte die Selektivität und Sensitivität dieses Sensors weiter verbessert werden, um komplexere Anwendungen zu ermöglichen z.B. für ungeahnte Einblicke in die chemische Signalgebung in neuronalen Netzwerken. Auch in Anbetracht von komplett fehlenden methodischen Alternativen ist dieses Sensor-Konzept ein entscheidender Schritt nach vorne. Ich werde auch weiterhin an diesem Thema arbeiten. Insbesondere werde ich neuartige Methoden von außerhalb der Kohlenstoffnanoröhren-Gemeinde einsetzen und entwickeln, um Kohlenstoffnanomaterialien in der bioanalytischen Chemie und biomedizinischen Forschung einzusetzen.
Publications
- A Rapid, Direct, Quantitative, and Label-Free Detector of Cardiac Biomarker Troponin T Using Near Infrared Fluorescent Single-walled Carbon Nanotube Sensors, Advanced Healthcare Materials, 2013
Jingqing Zhang, Sebastian Kruss, Andrew J. Hilmer, Steven Shimizu, Zeke Schmois, Flor De La Cruz, Paul W. Barone, Daniel A. Heller, Nigel F. Reuel, Michael S. Strano
(See online at https://doi.org/10.1002/adhm.201300033) - Carbon nanotubes as optical biomedical sensors, Advanced Drug Delivery Reviews, 2013, 65(15], 1933-1950
Sebastian Kruss, Andrew Hilmer, Jingqing Zhang, Nigel Reuel, Bin Mu, Michael Strano
(See online at https://doi.org/10.1016/j.addr.2013.07.015) - Molecular Recognition Using Nanotube-Adsorbed Polymer Complexes, Nature Nanotechnology, 2013, 8, 959-968
Jingqing Zhang, Paul W. Barone, Jong-Ho Kim, Markita P. Landry, Shangchao Lin, Zachary W. Ulissi, Dahua Lin, Bin Mu, Daniel A. Heller, Ardemis A. Boghossian, Andrew J. Hilmer, Alina Rwei, Allison C. Hinckley, Sebastian Kruss, Mia A. Shandell, Nitish Nair, Steven Blake, Fatih Sen, Selda Sen, Robert G. Croy, Deyu Li, Kyungsuk Yum, Jin-Ho Ahn, Hong Jin, John M. Essigmann, Daniel Blankschtein, Michael S. Strano
(See online at https://doi.org/10.1038/NNANO.2013.236) - Neurotransmitter Detection Using Corona Phase Molecular Recognition on Fluorescent Single-Walled Carbon Nanotube Sensors, JACS, 2014, 136(2], 713-724
Sebastian Kruss, Markita Landry, Emma Vander Ende, Barbara Lima, Nigel F. Reuel, Jingqing Zhang, Justin Nelson, Bin Mu, Andrew Hilmer, Michael Strano
(See online at https://doi.org/10.1021/ja410433b)
