Abstract (deu)
Die vorliegende Dissertation befasste sich mit der Entwicklung neuartiger Erkennungsmaterialien auf der Basis von Polymeren und Nanopartikeln sowie deren Kompositen für Sensoren, die sicherheitsrelevante Analyte detektieren sollten. Diese waren primäre Alkohole, Formaldehyd und Ephedrin. Als Transducer dienten Quarzmikrowaagen (quartz crystal microbalance – QCM).
In einem ersten Schritt behandelt sie die Erforschung der Wechsel-wirkungen zwischen Titandioxid-Nanopartikeln und flüchtigen organischen Verbindungen, nämlich 1-Butanol, n-Oktan, 1-Oktanol, Essigsäure, Ethylendiamin und Triethylamin. Von allen diesen Verbindungen führt Oktanol aufgrund seines geringen Dampfdrucks (0.014 mmHg bei 20°C) zu den stärksten Sensorantworten, die ein unteres Detektionslimit von 3 ppm in Luft ermöglichen. N-Oktan, Essigsäure und Ethylendiamin, die alle ungefähr den selben Dampfdruck haben, zeigen untereinander stark verschiedene Resultate: insbesondere Oktan führt zu um zwei Zehnerpotenzen niedrigeren Sensorantworten als man erwarten würde, was den leicht hydrophilen Charakter der Nanopartikel zeigt. Vergleicht man die beiden Amine miteinander, stellt sich heraus, dass das schwerere und stärker alkalische Molekül – Triethylamin – zwei Mal größere Sensoreffekte verursacht, als Ethylendiamin. Dieses Affinitätskonzept konnte weiterentwickelt werden, indem Kompositmaterialien aus TiO2 Nanopartikeln und molekular geprägten Polyurethanen synthetisiert wurden. Dieser Ansatz führte zur Vorkonzentration von Butanol in der Nähe der Partikel und letztlich zu zweifach erhöhten Sensorantworten. Um Vergleichsdaten zum Titanat zu haben, wurden Sensormessungen auch mit SiO2 Nanopartikeln durchgeführt. Allgemein gesagt sind die Affinitäten der beiden Materialien ähnlich, allerdings sind die Sensoreffekte der TiO2 Nanopartikel um einen Faktor 2-3 höher.
Formaldehyd ist aufgrund seiner Toxizität und Karzinogenität ein wichtiger Analyt für die Sensorik. Deswegen wurde ein molekular geprägtes Polymer (MIP) für die Detektion von Formaldehyddämpfen in Luft entwickelt. Auf QCM konnte trotz der geringen Größe des Analytmoleküls auf diese Weise ein Detektionslimit von 10ppm in Luft erzielt werden. Außerdem zeigte das verwendete Copolymer aus Acrylaten und Allylamin erstaunliche Selektivität: die Sensoren zeigten keinerlei Antwort auf verwandte Verbindungen oder mögliche Störkompenenten, wie Azeton, Ameisensäure, Methanol, Ethanol und Dichlormethan.
Der dritte Analyt war Ephedrin, das eine Vorstufe für Amphetamine und Methamphetamine ist. Screening mittels FT-IR-Spektroskopie führte zu Polyacrylaten als für das Prägen geeigneten Polymeren. Diese konnten sowohl als Dünnfilme, als auch als Nanopartikel mit 150-200nm Durchmesser synthetisiert werden. Sensoren mit Dünnfilmen erreichten ein Detektionslimit von 25 mg/l Ephedrin in wässriger Lösung. Nanopartikel dagegen erreichten sogar 6 mg/l und erlauben es daher in einem Konzen-tra¬tionsbereich von 5-50 mg/l quantiative Sensormessungen durchzuführen. In Pufferlösungen ergeben sich sehr ähnliche Signale. Selektivitätsmessungen umfassten Ethylamin, 2-Butanol, 1-Propanol und Toluen (jeweils 200 mg/l), da diese Verbindungen Substrukturen des Ephedrinmoleküls darstellen. Die Alkohole führten zu keinen messbaren Frequenzsignalen. Toluen führt zu einer Sensorantwort von -100Hz, was einem Sechstel des Ephedrinsignals bei 200 mg/l entspricht. Das zeigt, dass der aromatische Ring in der Erkennung eine gewisse Rolle spielt. Offen¬sichtlich ist die Hauptantriebskraft der Erkennung die NH-Gruppe im Ephedrinmolekül: Ethlyamin führt zu doppelt so hohen Signalen auf dem Sensor, allerdings zeigen die Daten des ungeprägten Polymers, dass ein großer Teil dieses Effekts auf unspezifische Wechselwirkungen zurückzuführen ist. Diese Selektivitäten zeigen nicht nur Potential für tatsächliche Anwendung der Sensoren sondern erlauben auch Rückschlüsse auf die der Erkennung zugrundeliegenden Bindungsverhältnisse.