FWF - CuBiC - Nanoporöses Kupfer für biokatalytische Anwendungen

Im CuBiC Projekt entstehen neue, innovative Hybrid-Elektroden, bestehend aus nanoporösem Kupfer als Trägerstruktur und Enzymen der sogenannten P450-Klasse als aktive Komponente. Derartige „Enzym-Elektroden“ eignen sich für ein breites Spektrum von Sensoranwendungen, beispielsweise in umweltüberwachenden oder biomedizinischen Technologien. Das Projekt entwickelt diese vielseitigen Elektroden in vier Schritten: Der erste Schritt ist die Herstellung von nanoporösem Kupfer, also metallischen Schwammstrukturen auf der Nanoskala, durch einen selektiven Ätzprozess namens Dealloying. Dabei wird aus einer Legierung die unedlere Komponente entfernt, woraufhin sich die verbleibenden Kupfer-Atome umordnen und so eine poröse Struktur bilden. Im zweiten Schritt wird die Oberfläche dieses Kupfer-Schwamms mit einer Schicht kleiner, organischer Moleküle überzogen. Diese dient als Bindeglied, sozusagen als Klebstoff, zwischen dem Metall und den im dritten Schritt folgenden Enzymen. Enzyme sind große Biomoleküle, die als Katalysatoren für chemische Reaktionen wirken, wovon in vielfältigen biotechnologischen Prozessen Gebrauch gemacht wird. Im vierten und damit letzten Schritt wird schließlich an ausgewählten Anwendungen die Funktionalität der so hergestellten Hybrid-Materialien getestet. Metall und Biomoleküle ergänzen sich in diesem neuartigen Elektrodenkonzept ideal gegenseitig und erlauben große, gestalterische Freiheiten für zukünftige Anwendungen. Für eine langlebige Funktionalität benötigen die Enzyme einen Träger mit großer Oberfläche, welcher von der porösen Metallstruktur geboten wird. Zusätzlich ermöglicht die Leitfähigkeit des Trägermaterials eine Versorgung mit Elektronen, welche für viele der vom Enzym katalysierten chemischen Reaktionen benötigt werden. Das in CuBiC verwendete, nanoporöses Kupfer stellt hierbei ein noch relativ wenig erforschtes Materialsystem dar, welches jedoch viele Vorteile bietet. Neben einem, im Vergleich zu Edelmetallen, verhältnismäßig preisgünstigen und nachhaltigen Rohstoff sind auch die im Prozess entstehenden Oxide hochinteressant für zukünftige Anwendungen. Die Elektroden sind freistehend und können in beliebiger Form und Größe ausgeführt werden, was ein einfaches Handling ermöglicht und den Grundstein für einen vielseitigen Einsatz legt. Diese einzigartige Kombination an Vorteilen könnte zukünftig völlig neue Möglichkeiten in der Biosensorik eröffnen. Auch wenn sich CuBiC im Rahmen des Projekts auf einige ausgewählte Anwendungen beschränken muss, ist das entwickelte Elektroden-Konzept nämlich höchst modular. Durch verschiedenste Kombinationsmöglichkeiten von Trägern und Biomolekülen, sowie dem jeweiligen Zweck angepasste Verbindungsglieder, eröffnet sich ein nahezu unerschöpflicher Gestaltungsspielraum für eine neue Generation von Biosensoren mit vielfältigen Anwendungsgebieten.