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Nano-Sensor Nanoobjekte vor Ort aufspüren

Autor / Redakteur: Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Wie man mit einer speziellen Technik Nanoobjekte wie Feinstaub oder Viren direkt vor Ort bestimmen kann, erläutern Dr. Alexander Zybin und Dominic Siedhoff im Interview.

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Dr. Alexander Zybin: Die Plasmonen-unterstützte Mikroskopie von Nanoobjekten ist eine neuartige Methode die beliebige Nanoobjekte, unter anderem Viren, nachweisen kann.
Dr. Alexander Zybin: Die Plasmonen-unterstützte Mikroskopie von Nanoobjekten ist eine neuartige Methode die beliebige Nanoobjekte, unter anderem Viren, nachweisen kann.
(Bild: ISAS/Uni Dortmund)

LABORPRAXIS: Meine Herren, Sie haben eine neuartige mobile Sensor-Technologie entwickelt, die biologische Viren vor Ort erkennen kann. Wie funktioniert das genau?

Dr. Alexander Zybin: Die Plasmonen-unterstützte Mikroskopie von Nanoobjekten ist eine neuartige Methode die beliebige Nanoobjekte, unter anderem Viren, nachweisen kann. Sie wurde am Leibniz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS) im Rahmen eines Teilprojekts des Sonderforschungsbereichs 876 entwickelt, der die Informationsgewinnung durch Ressourcen-beschränkte Datenanalyse erforscht. Die physikalische Grundlage des Virenscanners ist der so genannte Oberflächen-Plasmonen-Resonanz-Effekt (SPR-Effekt): Er ermöglicht es, Viren mittels optischer Mikroskopie nachzuweisen. Im Gegensatz zur klassischen SPR-Technik und vergleichbaren Verfahren kann die Anhaftung selbst einzelner Viren an Bindungspartner nachgewiesen werden und zwar unmittelbar während sie geschieht. Im Vergleich zur Elektronen-Mikroskopie können Viren in flüssigen/natürlichen Medien nachgewiesen werden.

LABORPRAXIS: Wie erfolgt der Nachweis?

Zybin: Die Sensoroberfläche wird mit einem Laser bestrahlt und das vom Sensor reflektierte Licht wird als Video mit einer Digitalkamera aufgezeichnet. Ein Virus, das auf dem Sensor anhaftet, verursacht konzentrische sekundäre Plasmonenwellen in einem mikrometergroßen Bereich um die Anhaftungsstelle. Diese können als plötzlicher Lichtfleck im aufgezeichneten Video nachgewiesen werden. Die Bindungsereignisse können direkt gezählt werden. Die Häufigkeit der Bindungen wird durch die Virenkonzentration in der Probe bestimmt, sodass die Konzentration durch eine Bindungsratenmessung charakterisiert werden kann. Die Spezifität der Methode wird dadurch gewährleistet, dass die Sensoroberfläche mit Rezeptoren, z.B. mit Antikörpern, funktionalisiert wird, die selektiv die Viren von Interesse binden.

LABORPRAXIS: Wie sieht die Analyse-Software aus, die notwendig ist, um vor Ort schnelle und zuverlässige Virus-Diagnosen durchzuführen?

Dominic Siedhoff: Die Software wurde im Sonderforschungsbereich 876 an der TU Dortmund entwickelt, um hochqualitative Datenanalyse unter den Ressourcenbeschränkungen von mobilen Endgeräten, wie etwa Laptops, zu gewährleiten. Zu diesem Zweck nutzt sie die Grafikkarte eines PCs oder Laptops, um das hohe Datenaufkommen des Sensors zu bewältigen. Der Sensor liefert über eine Kamera einen Bilddatenstrom mit 30 bis 40 Bildern pro Sekunde. Jedes dieser Bilder wird in etwa 20 Millisekunden komplett analysiert. Dadurch werden die Viren schon während sie an den Sensor anhaften von der Software automatisch erkannt. Das Bildmaterial wird außerdem visuell aufbereitet, sodass das medizinische Fachpersonal die Anhaftungen in Echtzeit oder in Zeitlupe am Bildschirm verfolgen kann. Diese direkte Rückkopplung eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten. Für die Analyse lassen sich gängige Arbeitsplatzrechner verwenden, sodass die Anschaffungskosten gering bleiben. Mit aktuellen Grafikkarten verfügen auch Laptops über ausreichend Rechenleistung für eine Auswertung in Echtzeit, was zusammen mit dem mobilen Sensor einen mobilen Einsatz ermöglicht.

LABORPRAXIS: Wo sehen Sie die Einsatzgebiete des Virenscanners, gibt es evtl. auch andere Nanoteilchen, die untersucht werden können?

Zybin: Neben dem schnellen Nachweis von Viren in physiologischen Proben in der medizinischen Diagnostik lässt sich das Verfahren auch in der Virenforschung und in der Pharmakologie verwenden: Die Wirkung unterschiedlicher Medikamente auf die Bindungsstärke von Viren kann erfasst werden. Ferner ist es möglich, die Funktionsfähigkeit von neu entwickelten Antikörpern zu testen, indem überprüft wird, ob diese dazu in der Lage sind, ein bestimmtes Virus an die Sensoroberfläche zu binden.

Siedhoff: Das Verfahren ist jedoch nicht auf Viren beschränkt, sondern kann alle Nanoteilchen nachweisen, die an die Oberfläche gebunden werden können. So können etwa Nanoteilchen im Trinkwasser oder Verunreinigungen in Lebensmitteln nachgewiesen werden. Ferner kann der Sensor z.B. Nanoteilchen im Feinstaub von Auto- und anderen Abgasen analysieren. Dank geringer Kosten und hoher Mobilität ist auch ein großflächiger Einsatz zu Monitoring-Zwecken beispielsweise in der Prozessanalytik denkbar.

Vielen Dank für das Gespräch meine Herren.

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