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Diagnostik unter Strom

Lab-on-a-Chip: Nanoporen-basierte Sensoren bestimmen Biomarker

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Solche synthetische Nanoporen (solid state nanopores) werden seit einigen Jahrzehnten in Laboratorien und z.T. auch industriell aus verschiedenen Materialien, z.B. Glas oder Silizium, hergestellt. Im vorliegenden Fall handelt es sich um Polymere, wie PC (Polycarbonat) oder das von Trinkgefäßen wohlbekannte PET (Polyethylenterephthalat), in Form dünner Folien von einigen 10 µm Dicke. Zum Erzeugen der Nanoporen, also dünner Kanäle, die nur einige Nanometer Durchmesser haben, bedient man sich einer Methode, die auf den ersten Blick exotisch wirkt, nämlich der Bestrahlung mit Teilchen aus einem Beschleuniger.

Hier lohnt es sich, einen Blick auf die Historie zu werfen. Zu Beginn der bemannten Raumfahrt beobachteten die Astronauten Lichtblitze, wenn sie die Augen schlossen. Es stellte sich die Frage, worum es sich dabei handelte. So wurde im Apollo-12-Programm, das nun gerade vor fast genau 50 Jahren stattfand, das Helmet-Dosimetry-Experiment durchgeführt. Die Strahlung, die die Astronauten hinter ihren Augenlidern sahen, musste logischerweise vorher durch die Wände des Raumfahrzeuges und den Helm gegangen sein.

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Somit mussten sie bei solcher Durchdringungskraft extrem hochenergetisch sein und würden wohl Spuren im Material hinterlassen haben. Also untersuchte man die durchstrahlten Helme und machte die Spuren der hochenergetischen Partikel sichtbar, indem man ihre geradlinigen Bahnen im Polymer mit Natronlauge zu Kanälen aufätzte. Und eben diese Methode wird für die Herstellung der sensorischen Nanoporen verwendet.

Die Partikel der Galaktischen Kosmischen Strahlung, hochenergetische Ionen, werden im Labor im Teilchenbeschleuniger erzeugt und im Anschluss werden ihre Spuren zu Nanoporen aufgeätzt. Dies ist so exotisch, wie es begann, nicht mehr. Heutzutage werden Ringbeschleuniger verwendet, um Folien mit Nanoporen für Filtrierzwecke kommerziell herzustellen.

Strommessung von Ionen in Wasser

Das Kernstück für die Bestimmung von Biomolekülen ist die Polymerfolie, die in den Chip eingebettet ist. Dieser verfügt über kleinvolumige Kanäle, in die die zu messende Flüssigkeit eingebracht wird. Vereinfacht ausgedrückt werden zwei solcher Kanäle durch die Folie mit den Nanoporen getrennt, es wird Wasser mit einem Leitsalz, wie Kaliumchlorid zugegeben, und über zwei Elektroden wird der Ionenstrom durch die Nanoporen in dieser elektrochemische Miniaturzelle gemessen.

Zur Funktionalisierung werden die Innenwände mittels entsprechender chemischer Reaktionen mit Rezeptormolekülen bestückt, die ganz spezifisch mit dem zu bestimmenden Biomolekül reagieren, im Schlüssel-Schloss-Prinzip. Während alle anderen Moleküle in Lösung bleiben, koppeln also nur diejenigen von Interesse spezifisch mit den Nanoporen. Deren Durchmesser ist so gering, dass selbst kleine Moleküle den Ionenstrom durch die Nanoporen reduzieren und zwar in Abhängigkeit der Menge der zu untersuchenden Biomoleküle. Diese und andere Prinzipien der Änderung des Nanoporenstroms, wie die Veränderung der Oberflächenladung der Nanoporen, können zur sensitiven und selektiven quantitativen Messung der Biomoleküle genutzt werden, z.B. eines Tumormarkers, der schon zu Beginn des Tumorzellwachstums dieses verrät.

Stand der Entwicklung und weitere Herausforderungen

Der Proof-of-Principle wurde für mehrere Beispiele erbracht. So wurde, allerdings in größeren elektrochemischen Messzellen, z.B. der Neurotransmitter Histamin, der eine komplexe Rolle im menschlichen Organismus spielt, z.B. bei allergischen Reaktionen, mit dieser Methode in Salzlösung gemessen. Erste Messungen in humanem Blutserum sind ebenfalls erfolgt. Das LoC-System befindet sich aktuell noch in der Laborphase, aber auch hier wurden bereits Messungen erfolgreich durchgeführt. Möglich war dies durch Zusammenarbeit von Materialwissenschaft und Elektrotechnik der TU Darmstadt, wo Expertisen von nanotechnologischen Methoden zur Herstellung und Funktionalisierung der Nanoporen und Mikro-Nano-Integration in den Chip zusammenkamen.

Die Herausforderungen liegen nun in den Bereichen Selektivität, Reproduzierbarkeit, Lagerstabilität, aber auch im Falle von Blut als zu analysierendem Medium in spezifischen Eigenschaften wie der Blutgerinnung und den mannigfaltigen Inhaltsstoffen dieses komplexen Gemisches mit seinen buchstäblich hunderten von Komponenten und deren Einflüssen auf die Messung, wo entsprechende Schritte der Probenvorbereitung betrachtet werden müssen. Schließlich wird Validierung das große Thema werden.

Neben der medizinischen Diagnostik liegen Anwendungen im Bereich der Analytik von Wasser, wie Grundwasser, Trinkwasser, Abwasser, und anderen Flüssigkeiten, z.B. Lebensmitteln. Beispiele dazu sind Spuren von Medikamenten aus Klinken und Haushalten in zu Trinkwasser aufbereiteten Abwässern oder toxische Substanzen in als Trinkwasser genutztem Fluss- und Seewasser in der Dritten Welt, sowie die Analytik von Fruchtsäften auf deren Inhaltsstoffe.

* Prof. Dr. W. Ensinger: Technische Universität Darmstadt, 64287 Darmstadt

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