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Freitag, 21.07.2017
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Optische Falle sammelt Nanopartikel

Wärmeunterschiede ermöglicht lokale Molekülkonzentration in Flüssigkeiten ohne Verfälschungen

Wärmeunterschiede statt wie bisher Polymere sorgen in einer neuen „Nanofalle“ dafür, dass sich kleinste Moleküle in Flüssigkeiten an einer Stelle sammeln, um hier gezielt zu reagieren oder gemessen zu werden. Das so genannte optische Förderband nutzt Laserpunkte als Wärmequelle und vermeidet so die bei herkömmlichen Methoden auftretenden Verfälschungen. Die Methode wurde jetzt in der Fachzeitschrift „Nanoletters“ online vorgestellt.
Laser

Laser

Moleküle in Flüssigkeiten sind ständig in Bewegung. Zum Problem wird dies allerdings, wenn sie an einer Stelle konzentriert werden sollen, um etwa bestimmte Reaktionen auszulösen oder um zu untersuchen, ob sie eine Bindung eingegangen sind. Bisher wurden in solchen Fällen Polymere und andere Strukturen als sogenannte “molekulare Anker" verwendet, an denen die untersuchten Moleküle anlagern können. Allerdings beeinflusst diese Methode die Moleküle und verfälscht unter Umständen die Versuchsergebnisse.

Die Biophysiker Professor Dieter Braun und Franz Weinert von der Ludwig-Maximilians-Universität München haben nun eine neue, „nichtinvasive" optische Molekülfalle entwickelt, die solche Verfälschungen vermeidet. “Mit unserem optischen Förderband können wir sehr schnell hohe Konzentrationsunterschiede aufbauen und auch wenige Nanometer kleine Moleküle transportieren" sagt Braun. "Das gibt uns unter anderem die Möglichkeit, biologische und andere Moleküle zu charakterisieren."

Temperaturunterschiede als Sortierungshilfe


Bei ihrem optischen Förderband nutzten Braun und Weigert thermische Effekte für den Transport von Molekülen. Zum einen sorgt die so genannte Thermophorese dafür, dass Moleküle von warm nach kalt wandern. Der Grund dafür ist die Brownsche Bewegung, eine ungerichtete Bewegung, die jedes Molekül ausführt, und zwar umso schneller, je wärmer es ist. Die schnelleren Moleküle in der warmen Region stoßen öfter zusammen und erfahren so einen Impuls hin zur kalten Seite. Zusätzlich aber nutzen die Wissenschaftler den Effekt der thermoviskose Pumpe: Erwärmt man Flüssigkeit an einer Stelle, verkleinert sich dort ihre Viskosität und die Moleküle ziehen sich weniger stark an. Deshalb zieht es sie von der Warmzone hin zur kälteren Region.


Laserpunkte als Wärmequelle


In der optischen Molekülfalle erzeugt ein fokussierter, infraroter Laserstrahl warme Punkte am Boden des Molekülbehälters. Es entsteht ein Temperaturgradient zwischen Oberfläche und Boden, an dem entlang die Moleküle nach oben wandern. Bewegt sich der Laserpunkt zusätzlich hin zur Behältermitte, transportiert die thermoviskose Pumpe die Flüssigkeit am Boden entlang zum Behälterrand. Das Resultat ist ein optisch betriebenes Förderband, das am Behälterboden nach außen, an der Oberfläche zur Mitte hin läuft. Die an der Oberfläche sitzenden Moleküle werden zur Mitte transportiert und sammeln sich dort.

Funktioniert auch bei DNA


Die Methode hat den Vorteil, dass sich die Moleküle ohne äußere Einflüsse in ihrem "natürlichen Umfeld", der Flüssigkeit, konzentrieren. Sogar sehr kleine Moleküle lassen sich auf diese Weise transportieren. Die Forscher konnten zum Beispiel DNA, das Erbmolekül, mit einer Länge von nur fünf Bausteinen innerhalb von drei Sekunden in über hundertfacher Konzentration akkumulieren.

Zudem wirkt das Förderband selektiv, es lassen sich auch gezielt bestimmte Molekülbindungen aussortieren. In der Ausgründung NanoTemper GmbH nutzen die Doktoranden Stefan Duhr und Philipp Baaske bereits optisch-thermische Methoden, um die Bindung von Pharmazeutika an Biomoleküle, beispielsweise Proteine, nachzuweisen. Die optische Falle bietet ihnen nun zusätzliche Techniken, die Eigenschaften der Biomoleküle zu charakterisieren.
(Universität München, 02.11.2009 - NPO)
 
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