De elektrochemie van moleculen uitbuiten en zo veel mogelijk informatie halen uit hun elektro­chemische fingerprint, dat is Karolien De Waels strategie om innovatieve sensoren te ontwikkelen.

‘Ik zoek naar onderwerpen waar ik misschien een verschil kan maken’, stelt de Antwerpse hoogleraar Karolien De Wael. Regel­matig publiceert zij over elektrochemische sensoren voor uiterst praktische toepassingen, zoals drugs herkennen of medicijnresten detecteren in afvalwater. ‘Dat is bewust gekozen. Sensoren zijn een fijn onderwerp, omdat ze nuttig kunnen zijn voor industrie en maatschappij. Ik vind het belangrijk om impact te creëren met wetenschappelijk onderzoek, om de gelden die je krijgt optimaal te benutten. Eigenlijk is het een persoonlijke drijfveer; ik weet niet of iedereen die heeft en dat hoeft ook niet.’

Met die elektrochemie kwam ze voor het eerst in aanraking tijdens haar studie in Gent. ‘Ik dacht al bij de eerste les: dit is iets heel anders, hier is heel veel inzicht voor nodig. Ik heb er mijn masterthesis aan gewijd en daar heb ik nog geen seconde spijt van.’

Sindsdien probeert ze haar kennis overal toe te passen. ‘Zien we een nieuwe mogelijkheid, dan starten we eerst een klein zijprojectje. Vaak komen daar de mooiste publicaties en de leukste resultaten uit. Op dit moment proberen we bijvoorbeeld bacteriën te koppelen aan elektrochemie. We mogen er nog niet te veel over vertellen, maar het blijkt een bruikbaar uitgangspunt voor antibioticasensoren.’

Imitatie-enzym

De interesse voor sensoren begon toen ze in Antwerpen haar eigen groep startte: het was een onderwerp waarvoor fondsen beschikbaar waren. In het begin lag de nadruk op aptameren, korte DNA- of RNA-sequenties die affiniteit vertonen voor bepaalde doelmoleculen. ‘Dat werkt vooral op vorm, maar natuurlijk ook op ionsterktes en veel andere parameters’, stelt De Wael. Ze laat doorschemeren dat over die affiniteit nog heel veel vragen zijn en dat publicaties op dit gebied vaak de nodige twijfels oproepen. ‘Samen met collega’s in Gent proberen we nu analytische methodologieën op te zetten om er meer vat op te krijgen. In de toekomst kunnen we dan misschien zelfs eigen sequenties ontwikkelen.’

Ze gelooft nog steeds dat aptasensoren praktisch toepasbaar kunnen zijn, maar haar onderzoek is steeds meer de kant uitgegaan van elektrokatalyse. ‘Eigenlijk boots je daarmee het sterkste punt van enzymen na. Als je op een elektrode-oppervlak een loop kunt genereren waarbij de ene component continu wordt omgezet in de andere, kun je een heel gevoelige detectiestrategie ontwikkelen.’

De Wael laat zich bijvoorbeeld inspireren door HRP. Met waterstofperoxide als cofactor vormt dit enzym een sterk oxidans voor onder meer fenolen. Voor industriële sensortoepassingen is HRP echter niet stabiel genoeg, en voortdurend H₂O₂ moeten toevoegen is onhandig. Vandaar dat ze beide stoffen verving door een ftalocyaninemolecuul dat zeer reactieve singletzuurstof vormt onder invloed van laserlicht. ‘De componenten die daardoor worden geoxideerd, kunnen we elektrochemisch de­tecteren.’

’De leukste resultaten komen uit zijprojectjes’

De resulterende sensor is een flexibel kunststofstripje met drie elektrodes. ‘De middelste bevat ftalocyanine, met links een referentie-elektrode voor de meting en rechts een tegenelektrode om het circuit te vervolledigen. Het is een robuust systeem en je hoeft geen reagentia toe te voegen. We zijn nu bezig met sensoren voor 4-aminofenol en het antibioticum amoxicilline, waarbij we detectiegrenzen van 10 of 20 nmol kunnen halen.’

Waarbij De Wael aantekent dat ook dit weer voortkomt uit een van haar elektrochemische zijprojectjes. Dat draaide om schilderijen vervagen. ‘Pigmenten zijn halfgeleiders die onder invloed van licht een fotostroom geven. In combinatie met vocht en chloride-ionen uit de lucht krijg je als het ware een kleine elektrochemische cel waarin vermiljoenrood, dat is kwiksulfide, gaat degraderen.’ Ze combineerde dat inzicht met de kennis van lichtgevoelige katalysatoren die ze ooit opdeed tijdens haar doctoraat. ‘Ineens hadden we een nieuwe strategie om fenolen te bepalen onder laserlicht.’

Cocaïne

Of een molecuul zich leent voor elektrochemische detectie kun je volgens De Wael niet zomaar een-twee-drie zeggen. ‘Vaak wordt gesteld dat het redoxactief moet zijn. Maar door te spelen met potentialen, of met licht, kun je die redoxactiviteit ook heel lokaal genereren. Door daarmee te variëren, verrijk je de elektrochemische vingerafdruk. Zo is cocaïne zelf redoxactief, maar de vingerafdruk is tevens pH-afhankelijk. Door te meten bij twee verschillende pH’s onderscheid je het van bepaalde versnijdingsmiddelen die er qua structuur sterk op lijken.’

Hoeveel onderscheid je daarbij moet kunnen maken, is trouwens ook een belangrijke vraag. ‘Daar moet je altijd naar informeren bij mensen uit het veld. Als wetenschappers hebben we er vaak geen concreet beeld van. We denken dat een biosensor zo selectief mogelijk moet zijn, terwijl de industrie het vaak al voldoende vindt om een klasse van componenten te kunnen meten. Voordat je een project opstelt moet je dat wel weten.’