Zenuwgassen vangen in een kooi

Er bestaat wereldwijd grote behoefte aan bescherming tegen aanvallen met chemische, biologische of nucleaire (CBRN) wapens. Zowel voor gebruik in publieke ruimtes als in conflictsituaties. Dat is niet eenvoudig, want een goede detectietechniek moet snel, gevoelig en specifiek zijn. En als het even kan is de methode ook nog draagbaar, robuust en eenvoudig in gebruik.

De recente geschiedenis laat zien dat de angst voor chemische wapens terecht is. In 1995 werd het zenuwgas sarin gebruikt voor een aanslag in de metro van Tokyo. Datzelfde sarin trof in 2013 de bevolking van Ghouta, een buitenwijk van de Syrische hoofdstad Damascus. Voor de detectie van sarin en andere zenuwgassen heeft een groep Britse scheikundigen een zelfassemblerende, supramoleculaire ‘kooi’ ontwikkeld waarin het zenuwgas wordt opgesloten. De kooi vormt zichzelf uit losse componenten en heeft de vorm van een kubus met op de hoekpunten een metaalion (kobalt of cadmium). Tussen de hoekpunten vormen combinaties van ringvormige koolstof-stikstofverbindingen de ribben en vlakken van de kubus. Voor de liefhebber: het gaat om zogenaamde pyrazolyl-pyridine liganden.

De kubus is hol en in ieder vlak zit een gat waardoor een molecuul naar binnen kan om zich in de holte te nestelen. Deze holte is hydrofoob (watermijdend), terwijl de gehele kubus in water oplosbaar is doordat aan de buitenkant hydrofiele (waterminnende) groepen zitten. Stoffen die niet graag in een waterige omgeving verkeren, zullen hun toevlucht zoeken tot de watervrije holte.

Zenuwgas lookalikes

Het team onder leiding van Michael Ward, hoogleraar Anorganische Chemie aan de Universiteit van Sheffield, kon niet werken met echte zenuwgassen. Dat mag alleen in enkele gespecialiseerde laboratoria. Daarom gebruikten ze ongevaarlijke moleculen die qua grootte en vorm sterk op de zenuwgassen sarin en soman lijken. Moleculen die je gebruikt in plaats van de echte stoffen heten ook wel simulanten. “Het gebruik van dit soort simulanten zie je vaker en voor dit doel is het niet onzinnig, omdat er geen sprake is van een covalente binding”, reageert Daan Noort, principal scientist bij de onderzoeksgroep CBRN Protection van TNO.

De onderzoekers gebruikten verschillende versies van de kooien en verschillende zenuwgas lookalikes. Bij alle combinaties bleek het principe te werken. De losse componenten vormen hun kubusvormige complex met daarin een of twee ‘gastmoleculen’. Bovendien beschikt een van de kooien over een lichtgevende chemische groep die bij binding van een gastmolecuul in de holte wordt gedoofd. Dat biedt meteen een aanknopingspunt voor detectie van een gebonden zenuwgas, aldus de onderzoekers.

Hoe ziet Michael Ward een praktische toepassing van dit principe voor zich? “We denken aan een dunne laag van de bouwstenen van de kooien, die we bijvoorbeeld op kleding of een ander oppervlak aanbrengen”, laat hij per e-mail weten. “De kooien vormen zichzelf en als er dan zenuwgassen in de omgeving aanwezig zijn, zullen die binden in een kooi en dat geeft een verandering in het lichtsignaal. Nu heb je nog UV-licht nodig om dat waar te nemen, maar in het ideale geval lukt het om een kleurverandering in het zichtbare spectrum te realiseren. Zover is het echter nog lang niet, maar dat het nu is gelukt om de simulanten in een kooi te binden en een optische respons te krijgen, is heel bemoedigend.”