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Nanosensoren Nanosensoren weisen Proteine und Viren nach

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Eine schnelle Unterscheidung von gefährlichen und harmlosen Substanzen ist in vielen Anwendungen wie der Diagnostik oder der Lebensmittelproduktion enorm wichtig. Wissenschaftler der Universität Mainz haben nun Teststreifen mit Gold-Nanopartikeln als Sensorelemente entwickelt, die zahlreiche Proteine gleichzeitig erkennen können. Diese neue Konzept kann für potenzielle Anwendungen in der Medizin, Umwelttechnik oder Nahrungsmittelkontrolle eingesetzt werden.

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Docken Proteine an die spezifisch funktionalisierten Nanopartikel an, so ändern die Sensorelemente ihre Farbe.
Docken Proteine an die spezifisch funktionalisierten Nanopartikel an, so ändern die Sensorelemente ihre Farbe.
(Bild: Institut für Physikalische Chemie )

Maniz – Chemiker an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben ein neues Verfahren zur Detektion von Proteinen entwickelt, das prinzipiell Hunderte oder Tausende von Proteinen und damit auch Viren gleichzeitig nachweisen kann. Der Nachweis gelingt selbst dann, wenn nur kleinste Probemengen vorliegen, er ist außerordentlich kostengünstig und schnell durchzuführen. „Die Technik könnte in der Medizin beispielsweise die schnelle Diagnose zahlreicher Krankheiten ermöglichen. Die Anwendung wäre fast so einfach wie bei einem Schwangerschaftsteststreifen“, so Univ.-Prof. Dr. Carsten Sönnichsen vom Institut für Physikalische Chemie. Bei dem Test wird ein Tropfen Blut, Speichel oder andere Körperflüssigkeit auf einen kleinen Messstreifen aufgebracht und in ein Gerät gesteckt, das zu diesem Zweck am Institut für Physikalische Chemie der JGU entwickelt wurde. Es erkennt, welche Eiweiße konkret in der Flüssigkeit vorliegen. So könnten gefährliche Krankheitserreger schnell und zuverlässig von harmlosen Keimen unterschieden werden.

Sensor nicht größer als ein Stecknadelkopf

Um viele Inhaltsstoffe in einer kleinen Probe nachzuweisen, muss der Sensor so klein wie möglich sein, vorzugsweise so klein wie Nanopartikel. Die Wissenschaftler um Sönnichsen haben daher einen Sensor entworfen, der nicht größer ist als ein Stecknadelkopf, auf der Fläche von einem Zehntel Quadratmillimeter aber hundert verschiedene Einzeltests unterbringen kann. Dieser „Teststreifen“ besteht aus einer Glaskapillare, der auf der Innenseite Gold-Nanopartikel als Sensorelemente anhaften. „Zuerst werden unsere Nanopartikel jeweils mit einem kurzen DNA-Strang präpariert, der Proteine ganz spezifisch bindet“, erklärt der Entwickler der Funktionalisierungsmethode, Janak Prasad. Dockt ein Protein an einen dieser speziellen DNA-Stränge, sog. Aptamere, an, so ändern die Nanopartikel ihre Farbe. Diese Farbänderung kann mit einem Spektrometer festgestellt werden. Die Glaskapillare wird dazu in ein Mikroskop eingelegt, das von den Mainzer Chemikern entwickelt, aufgebaut und mit der entsprechenden Software ausgestattet wurde.

Konzentrationen im Nanomol-Bereich nachweisbar

„Wir zeigen hier einen neuen Ansatz, wie man mit einem Multiplexverfahren mehrere Proteine gleichzeitig erkennen kann, indem eine Flüssigkeit an den zufällig platzierten Gold-Nanostäbchen vorbeifließt“, erläutert die Erstautorin der Studie, Christina Rosman. Mit vier unterschiedlichen Zielproteinen haben die Wissenschaftler aus der Physikalischen Chemie die grundsätzliche Machbarkeit des neuen Konzepts demonstriert, die Empfindlichkeit für Konzentrationen im Nanomolbereich nachgewiesen und die Reaktivierung und mehrmalige Wiederverwendung der Sensoren bestätigt. "Wir schätzen, dass unser Konzept potenziell auf die gleichzeitige Detektion von Hunderten oder Tausenden von Zielsubstanzen ausgebaut werden kann", heißt es in der Veröffentlichung. Eine kostengünstige Serienproduktion der Sensoren ist denkbar, wenn sie mit fortschrittlichen Nanofabrikationsmethoden wie Nano-Prägung oder optischen Fallen hergestellt würden.

Mögliche Einsatzgebiete für gleichzeitige Tests in einem Vorgang sind mannigfaltig: Die kostengünstigen Sensoren könnten in Arztpraxen eingesetzt werden, um direkt vor Ort beispielsweise unterschiedliche Grippeviren zu bestimmen. Weiterhin würde sich die Technik eignen, um bestimmte toxische Stoffe in der Umwelt oder Nahrung aufzuspüren, insbesondere in Flüssigkeiten wie Milch oder Babynahrung. Auch andere Stoffe wie Dopingmittel, Drogen oder Ähnliches wären schnell und einfach nachzuweisen.

Die Forschungsarbeiten zu dem Protein-Sensor wurden unter anderem durch die Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ) und das Projekt "SingleSense" des European Research Council (ERC) gefördert.

Originalpublikation: Christina Rosman et al., Multiplexed Plasmon Sensor for Rapid Label-free Analyte Detection, Nano Letters, 21. Juni 2013; DOI:10.1021/nl401354f

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