Optische Biosensoren aus Lipid-Gitter

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Westf. Wilhelms-Universität Fachbereich Physik

Funktionale Lipid-Grating Coupler

Das breite Einsatzspektrum der Dip-Pen-Nanolithography wird in Abbildung 3 deutlich. Funktionale Lipid-Gitter sind senkrecht auf eine Wellenleiterstruktur geschrieben und ermöglichen so das Austreten von Licht an dieser Stelle des Wellenleiters (s. Abb. 3a, b). Ein Wellenleiter ist in einem PMMA-Chip integriert. Durch eine Glasfaser kann kohärentes Licht eines Superkontinuum-Lasers in der Bandbreite von 500 bis 800 nm in den Wellenleiter gekoppelt werden. Die Gitter weisen hier einen Linienabstand von 700 nm auf.

Die Abbildungen 3c und 3d dienen als Beispiel für das so genannte Multiplexing, d.h. die Fähigkeit verschiedene Materialien in einem Vorgang auf eine Oberfläche zu schreiben. Diese Methode erweist sich als sehr nützlich für etliche photonische Anwendungen. Es werden zwei Gitter aus fluoreszenzmarkierten Lipiden gezeigt, die gleichzeitig auf einen Wellenleiter geschrieben wurden. Der Farbstoff besteht aus einer 1 mol-Prozent Rhodamin- (rot), bzw. Fluoreszin- (grün) Lösung. Als weitere Spezialisierung ermöglicht die DPN-Technik nicht nur das parallele Schreiben von verschiedenen Materialien auf einer Oberfläche, sondern auch in einer Struktur. Zu sehen ist dies in Abbildung 3d, in der die Gitterlinien alternierend aus Rhodamin-angereicherten und Fluoreszin-angereicherten Lipiden bestehen. Dieses Potenzial öffnet neue Wege in der Herstellung heterogener photonischer Strukturen.

Lipid-DPN-Biosensoren

Zukünftig werden Lab-on-a-Chip-Systeme eine wichtige Rolle spielen, da mit ihnen auf kleiner Oberfläche gleichzeitig verschiedene Analysen möglich sind. Biofunktionale Lipid-Gitter auf PMMA-Chips sind hierunter zu zählen. In vorliegenden Experimenten ist es beispielsweise gelungen, das Protein Streptavidin an Lipid-Biotin-Gitter (DOPE) zu koppeln und das Signal über die Veränderung der Beugungsintensität zu messen. Als Kontrolle ist jedes zweite Gitter aus reinem DOPC geschrieben, sodass hier keine Intensitäts-Änderung zu erwarten ist. Die Beugungsintensität bei Ankopplung von Streptavidin ist durch strukturelle Änderungen der Gitterlinien, bzw. Lipid-Multilagen durch Adhäsion zu erklären. Diese Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit und fester Oberfläche resultiert in einem Ausbreiten der Multilagen, der Entnetzung sowie Interkalation (s. Abb. 4).

Die minimal detektierbare molare Konzentration von Streptavidin in Pufferlösung beträgt nach 15 min ca. 5 nM. Dieses Ergebnis liegt somit im Rahmen von bisherigen Gittersensoren. Bei einer Zeit von 90 min kann die Nachweisgrenze auf 500 pM reduziert werden. Dieses Limit bezieht sich auf die ersten durchgeführten Experimente dieser Art. Es ist davon auszugehen, dass die Nachweisgrenze durch die Verbesserung des Verfahrens deutlich sinken wird.

Ferner sind Lipid-Doppelschichten resistent gegen unspezifisches Binden von Proteinen, wie ein ähnliches Experiment, durchgeführt mit Kalb-Fötus-Serum, zeigt (s. Abb 5). Nach Hinzufügen des Serums (linker Pfeil) ändern sich die Beugungs-Intensitäten der Gitter nicht. Erst durch die Zugabe von Streptavidin (rechter Pfeil) verlieren die mit Biotin angereicherten Beugungsgitter innerhalb von 20 min deutlich an Intensität. Die finale Streptavidin-Konzentration betrug in diesem Experiment 50 nM. In weiteren Experimenten kann zu diesem Zeitpunkt sogar reversible Interkalation von grün-fluoreszierendem Protein (PFG) mit DOPC-Gittern beobachtet werden.

Ausblick

In diesem Beitrag wurde ein kostengünstiger optischer Biosensor vorgestellt, der ohne Farbstoffmarkierung verschiedene Analyte einer Probe detektiert. Erste Proof-of-Principle-Experimente mit Proteinen versprechen eine weitreichende Anwendung in der Biologie und Medizin. Das Ziel dieser neuen Methode ist die Detektierung einer Vielzahl diagnostisch relevanter Materialien in einer Probe wie Viren, Proteine, DNS und Zellen.

Quellen

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*F. Brinkmann, Physikalisches Institut, Westfälische Wilhelms-Universität Münster, 48149 Münster

**Prof. Dr. S. Lenhert, Department of Biological Science, Florida State University, Tallahassee, FL 32306, USA

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