Lokalisierter Transport aus der Gasphase: Fundamentale Untersuchungen und Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr. Heiko Jacobs, seit 4/2021
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Biomaterialien ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 314615063

Eine kontinuierliche Überwachung der Raum- und Umgebungsluft bezüglich eines möglichst breiten Spektrums an Aerosolen und Partikeln (Viren, Bakterien, Pollen) stellt uns zunehmend vor neue Herausforderungen. Das Vorhaben beschreibt die Untersuchung eines Mechanismus, welcher das lokalisierte Einfangen von Partikeln und Aerosolen aus der Luft und eine lokalisierte Erhöhung der Partikelkonzentration für Analysezwecke ermöglicht, der in Vorversuchen von uns entdeckt wurde. Vereinfacht kann das Phänomen als gerichteter elektrodynamischer Transport dargestellt werden. Der Prozess ist ein Zusammenspiel zwischen den schnell beweglichen Gasionen in Kontinuität mit den Partikeln, dem Trägergas und dem vorstrukturierten Substrat. Das Verfahren ermöglicht das lokalisierte Einfangen von Partikeln aus der Gasphase über bisher bis zu 15 Größenordnungen (102 Da bis 3x1017Da). In einer ersten Publikation [1] in Nature Communications stellten wir dar, das der gezeigte Akkumulationsprozess wesentlich schneller als der diffusionsgetriebene Transport abläuft. Obwohl der Einfangprozess noch nicht ganz verstanden wurde, ergaben sich bereits Anwendungsbespiele. In einer Publikation [2] mit dem Titel >Localized Collection of Airborne Analytes: A Transport Driven Approach to Improve the Response Time of Existing Gas Sensor Designs< wurde gezeigt, wie die erhöhte Depositionsrate zu einer Verkürzung der Detektionszeit beim Nachweise von Partikeln aus der Gasphase führt. In der anschließenden Veröffentlichung [3] >Active Matrix Based Collection of Airborne Analytes: An Analyte Recording Chip Providing Exposure History and Finger Print< konnte das Akkumulationsprinzip für einen analytischen Partikelspeicherchip verwendet werden. Eine weitere Anwendung stellt das Wachstum von freistehenden Punkt zu Punkt Nanodrahtbrücken dar, welche durch das gezielte Ansammeln von metallischen Nanopartikeln hergestellt werden konnten [4]. Das Projekt befasst sich mit dem Ergründen der fundamentalen physikalischen Hintergründe dieser neuartigen Methode zur lokalisierten Ansammlung von Spezies aus der Gasphase. Aus Sicht der Transportgleichungen kann die beobachtete Akkumulationsrate nicht befriedigend erklärt werden und es wird eine hohe oder veränderte Reaktionskinetik angenommen (höhere Adsorptionsrate). Der beschriebene Prozess verbindet den Transport von Partikeln und Aerosolen aus der Umgebungsluft mit der lokalisierten Anlagerung auf einem vorstrukturierten Substrat mit programmierbaren Entladungskontaktpunkten. Aus anwendungsorientierter Sicht wollen wir den Ansatz im Artikel >Active Matrix Based Collection of Airborne Analytes< [3] aufgreifen, der es erlaubt Partikel unterschiedlicher Art in einer aktiven Matrix (Recording Chip) zeitlich sortiert einzufangen. Eine interessante Anwendung ist der Nachweis von Pathogenen aus der Umgebungsluft, zum Beispiel in Krankenhäusern. Erste Versuche mit Bakteriophagen wurden erfolgreich durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Thomas Stauden, bis 4/2021