Ventile für winzige Teilchen

Forschende der ETH Z¨¹rich haben winzige Ventile entwickelt, mit denen sich einzelne Nanoteilchen aus Fl¨¹ssigkeiten separieren und sortieren lassen. Die Ventile eignen sich f¨¹r eine riesige Palette winziger Teilchen, darunter einzelne Metall- oder Halbleiter-Nanoteilchen, Viruspartikel, Liposomen oder gr?ssere Biomolek¨¹le wie Antik?rper.

Die Nanoventile funktionieren anders als klassische Ventile, mit denen eine Leitung wie bei einem Wasserhahn mechanisch verschlossen und ge?ffnet werden. ?Solche mechanischen Ventile lassen sich zwar miniaturisieren, aber nicht beliebig weit?, erkl?rt ETH-Professor Poulikakos. ?Sind Leitungen d¨¹nner als einige Dutzendzehn Mikrometer, lassen sie sich mechanisch nicht verschliesen und ?ffnen.?

Engstelle mit Elektroden

Um auch rund hundertmal feinere Leitungen beliebig oft ?ffnen und schliessen zu k?nnen, setzten die ETH-Wissenschaftler elektrische Kr?fte ein. Die Forschenden arbeiteten mit in einen Siliziumchip ge?tzten Leitungen, die einen Durchmesser von nur 300 bis 500 Nanometern aufwiesen. Das ist weniger als ein Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haars. In diesen Leitungen konstruierten sie Nanoventile, in dem sie die Leitung mittels Nanolithografie leicht verengten und auf beiden Seiten der Engstelle eine Elektrode anbrachten.

Nanopartikel in reinem Wasser k?nnen die Engstelle nicht einfach so passieren. F¨¹r sie ist das Ventil im Grundzustand geschlossen. Indem die Elektroden in bestimmter Weise aktiviert werden, ?ndert sich das elektrische Feld an der Engstelle. Dies f¨¹hrt dazu, dass eine Kraft auf anwesende Nanopartikel wirkt, welche die Teilchen durch die Engstelle stossen ¨C das Ventil l?sst sich so ?ffnen.

Nanopartikel in einer salzhaltigen L?sung verhalten sich hingegen anders: Sie k?nnen die Engstelle im Grundzustand passieren ¨C das Ventil ist f¨¹r sie ge?ffnet. Wie die Wissenschaftler zeigen konnten, lassen sich diese Partikel jedoch durch geschicktes Anlegen von Wechselstromfeldern an den Elektroden zur¨¹ckhalten. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel biologische Partikel wie Viren, Liposome oder Antik?rper handhaben, die sowohl nat¨¹rlicherweise als auch in Labors normalerweise in salzhaltigen Fl¨¹ssigkeiten vorliegen.

Zitternde Nanopartikel b?ndigen

?Einzelne Nanopartikel in einer Fl¨¹ssigkeit zu untersuchen, ist grunds?tzlich schwierig, weil auf der Nanoskala die Brownsche Molekularbewegung wirkt?, erkl?rt Hadi Eghlidi, Senior Scientist in Poulikakos¡¯ Gruppe. Die kleinen Teilchen halten nicht still, sondern zittern st?ndig, mit einem Bewegungsradius, der ein Vielfaches ihres Durchmessers betr?gt. ?Zwischen zwei oder mehreren Ventilen k?nnen wir die Molek¨¹le jedoch auf engem Raum festhalten, und sie so zum Beispiel unter einem Mikroskop untersuchen.?

Im Rahmen eines Machbarkeitsnachweises erstellten die Wissenschaftler auf einem Siliziumchip eine Vereinzelungs- und Sortierungsschleuse mit einer Verzweigung und drei Ventilen (siehe Bild oben). An der Verzweigungsstelle kann ein einzelnes Nanopartikel festgehalten und untersucht werden. Anschliessend kann man die Ventile so steuern, dass das Teilchen das System durch eine von zwei Ausgangsleitungen verl?sst. Nanopartikel in Fl¨¹ssigkeit k?nnen so in zwei Klassen sortiert werden. Den ETH-Forschenden gelang es gemeinsam mit Kollegen der Universit?t Z¨¹rich, mit diesem System sogar winzige Halbleiter-Nanopartikel (sogenannte Quantenpunkte) sowie Antik?rper ¨C beides mit nur 10 Nanometern Durchmesser ¨C zu handhaben.

Lab-on-a-Chip-Anwendungen

Wie die Wissenschaftler betonen, l?sst sich auf einem Siliziumchip im Prinzip ein beliebig komplexes Nanoleitungssystem mit beliebig vielen steuerbaren Ventilen anordnen. ?Mittels Feineinstellung des elektrischen Feldes an den Elektroden k?nnte es in Zukunft sogar m?glich sein, die Ventile als Filter zu benutzten, die Partikel mit bestimmten physikalischen Eigenschaften durchlassen, andere jedoch nicht?, sagt Christian H?ller, Doktorand in Poulikakos¡¯ Gruppe.

Die Wissenschaftler m?chten die Technik nun gemeinsam mit Partnern weiterentwickeln, um sie reif zu machen f¨¹r Anwendungen in der Forschung. Es liessen sich damit auf einem kleinen Chip beispielsweise Teilchen sortieren, was f¨¹r die Materialwissenschaft oder die Biomedizin interessant w?re. Denkbar w?ren auch Anwendungen, um synthetische Teilchen oder biologische Partikel zu vereinzeln, um sie zum Beispiel mikroskopisch zu untersuchen oder um den Einfluss von pharmazeutischen Wirkstoffen auf sie zu analysieren.