Ohne ihn können wir nicht leben, zuviel schadet uns aber auch: Sauerstoff spielt eine wichtige Rolle bei vielen Vorgängen in lebenden Zellen. Wissenschaftler haben nun eine neue auf Nanopartikeln basierende Methode entwickelt, mit der man den Sauerstoffgehalt in Zellen und Gewebe noch präziser bestimmen kann. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ stellen die Forscher jetzt ihr Verfahren vor.
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Nanopartikel-basierende Sauerstoffsensoren bestehen typischerweise aus phosphoreszierenden Farbstoffen, die in einem Polymer- oder Kieselgel- Partikel eingekapselt sind, das die Farbstoffe von der zellulären Umgebung abschirmt. Gleichzeitig verstärken die Nanopartikel das Leuchten des Farbstoffs.
Die Forscher um Jason McNeill von der Clemson University in den USA haben jetzt eine neue Nanopartikelarchitektur entwickelt. Sie nutzen ein Polymer mit einer speziellen pi-konjugierten Elektronenstruktur. Die Elektronen sind hier über das ganze Molekül quasi frei beweglich.
Polymer füttert Farbstoff mit „Energiepaketen“
Aus diesem Polymer stellen die Wissenschaftler Nanopartikel her, die sie mit einem Platin-Prophyrin-Komplex, einem Sauerstoff-empfindlichen Phosphoreszenzfarbstoff, dotieren. Bei Bestrahlung fängt das Polymer die Lichtenergie sehr effektiv ein und gibt sie als „Energiepakete“ an den Farbstoff weiter. So entsteht eine fünf bis zehn Mal hellere Phosphoreszenz als bei bisherigen Nanopartikel-basierten Sauerstoffsensoren. Im Vergleich zu konventionellen Sauerstoffsensoren ist das Leuchten sogar 1.000 mal heller.
Die Partikel reagieren hochempfindlich auf Sauerstoff: In einer stickstoffgesättigten Lösung leuchten die Sensoren zunächst intensiv rot. Wird Sauerstoff eingeleitet, tritt der Farbstoff in Wechselwirkung mit dem Sauerstoff. Dadurch nimmt das Leuchten ab. Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, desto stärker wird die Phosphoreszenz gelöscht.
Sensor identifiziert einzelne Partikel
Die Forscher konnten dabei nicht nur eine eindeutige Konzentrationsabhängigkeit der Helligkeit feststellen, auch die Phosphoreszenz-Lebensdauer, das heißt wie lange der Farbstoff leuchtet, ist abhängig von der Sauerstoffkonzentration.
Der neue Sensor ist empfindlich genug, dass sich einzelne Partikel detektieren lassen. Da die Partikel zudem gut von Zellen aufgenommen werden, eignet er sich ideal für ein quantitatives Abbilden der lokalen Sauerstoffkonzentrationen in lebenden Zellen und Geweben.
(idw – Gesellschaft Deutscher Chemiker, 30.03.2009 – DLO)
