Mit rostigen Nanoperlen gegen Bioterrorismus

Neuartiger Sensortyp nutzt Eisenoxid zum Anzeigen chemischer und biologischer Wirkstoffe

Nanoperlen
Nanoperlen

Corvallis (USA) - Die magnetischen Eigenschaften winziger Rostpartikel sollen künftige Giftstoff-Sensoren mobil machen. Das Eisenoxid in Form von Nanoperlen wird helfen, die Analysesysteme kleiner, leichter und billiger zu machen, berichten US-Forscher. Das von ihnen entwickelte System kann Chemikalien und biologische Substanzen mit hoher Empfindlichkeit erkennen - in der Luft, im Wasser oder auch an Lebensmitteln. Außerdem helfen die Kügelchen im Zusammenspiel mit elektronischen Schaltkreisen, die Ergebnisse sofort anzuzeigen. Die Forscher präsentierten ihre Ergebnisse im Fachblatt "Sensors and Actuators B: Chemical" . Die Einsatzmöglichkeiten reichen vom Kampf gegen Bioterrorismus - das Aufspüren von Anthrax, Rizin oder Pockenviren - bis hin zur Prüfung von Lebensmitteln, von medizinischer Diagnostik bis zu Umweltmessungen.

"Dies könnte die Welt chemischer Analysesysteme völlig verändern", so Pallavi Dhagat, Professor für Elektronik und Computerwissenschaften an der Oregon State University. Bisherige Systeme sind oft umständlich zu bedienen und benötigen für Betrieb und Ergebnisanalyse teure Geräte und geschultes Personal. Mit dem neuen sogenannten Mikrofluidik-Sensor soll das anders werden. Ein komplettes Diagnoselabor auf einem einzelnen Chip soll klein, schnell und akkurat Ergebnisse liefern. Der Schlüssel dafür ist das Eisenoxid: Der Rost kommt in Form winziger Perlen zum Einsatz, die rund tausend Mal kleiner sind als in heutigen Diagnosesystemen. Koautor Vincent Remcho, Professor für Chemie, erklärt: "Weil diese Nanopartikel aus Eisen bestehen, können wir Magnetismus und Elektronik nutzen, um die Information sofort zugänglich zu machen."

Wie bei der herkömmlichen Analyse wird das Sensorgerät der Luft oder der Flüssigkeit ausgesetzt, die die verdächtige Substanz enthält. Deren Moleküle durchlaufen einen biochemisch aktivierten Bereich im Gerät und treffen auf chemische Antikörper, sogenannte Liganden. Handelt es sich um ihre spezifisch passenden Liganden, bleiben die Substanz-Moleküle - nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip - daran hängen und gehen eine Bindung ein. Damit sind sie eindeutig erkennbar. Die Auswertung dieser Information allerdings war bisher kompliziert. Im neuen System sitzen passende Antikörper zusätzlich auch auf den Eisenoxid-Perlen. Im Falle einer Bindung bleibt die Substanz zum einen an den spezifisch passenden Stellen im Aktivbereich hängen, zum anderen docken die Perlen an und markieren sie. Jetzt sendet ein Mikrowellenschaltkreis sein Signal aus - es wird nur dann gekoppelt und durch eine ferromagnetische Resonanz weiter verstärkt, wenn im Aktivbereich metallische Partikel vorhanden sind, eine Bindung also stattgefunden hat. Über diese Verstärkung ist im Signal indirekt der Ort der Rostperlen enthalten.

Damit wiederum enthält das Signal gezielte Informationen über die gebundene Substanz. Sie lassen sich nun ohne weitere Expertenhilfe von einem kleinen Computer auswerten und direkt auf dem Bildschirm darstellen. Die neue Technik, so schreiben Dhagat und Kollegen, ist gut zu miniaturisieren, preisgünstig herzustellen und lässt sich für ein breites Spektrum an Molekülen anpassen, für die es biospezifische Liganden gibt. In Testläufen bewies der Prototyp der Forscher, dass die Methode sehr akkurate Werte bei hoher Empfindlichkeit liefert. Jetzt arbeitet das Team daran, das System robust und dauerhaft zu machen und für den mobilen Einsatz zu optimieren.