Für chemische Experimente ist es häufig entscheidend, dass sich die flüssigen Bestandteile möglichst schnell miteinander vermischen. Nun haben deutsche Forscher eine Methode vorgestellt, mit der sich auch kleinste Mengen schnell und gut durchmischen lassen. Ihr Geheimrezept: Sie geben in die Proben ein Lösungsmittel wie Alkohohl hinzu. Dieser löst einen wahren Sturm im Reaktionsgefäß aus. Diese Turbulenzen sorgen für eine schnelle Durchmischung der Flüssigkeiten, wie die Forscher in der Fachzeitschrift Journal of Biomolecular Screening beschreiben.
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James Bond mag seinen Martini am liebsten geschüttelt, keinesfalls gerührt. Ob sich jedoch die Art des Mischens von Gin und Wermut auf den Geschmack auswirkt, ist Ansichtssache. Für chemische Experimente spielt es jedenfalls keine Rolle, ob die flüssigen Bestandteile, die miteinander reagieren sollen, durch Schütteln oder Rühren gemischt werden. Entscheidend ist, dass sie richtig und schnell gemischt sind.
Winzige Flüssigkeitsmengen
"Und das ist heute ein beachtliches jedoch oft unterschätztes Problem", weiß Heidrun Rhode von der Friedrich-Schiller-Universität Jena, deren Arbeitsgruppe sich hauptsächlich mit der Suche nach neuen Biomarkern für eine Reihe von schweren Erkrankungen beschäftigt. Denn die Experimente, die Wissenschaftler heute in den biochemischen Labors nicht nur an der Jenaer Universität durchführen, finden zunehmend mit kleiner werdenden Mengen statt. "Wir verwenden heute üblicherweise Reaktionsgefäße, die gerade einmal 50 oder sogar nur 10 Mikroliter Flüssigkeit fassen", so Rhode. 50 Mikroliter entsprechen etwa dem Volumen eines durchschnittlichen Wassertropfens.
Doch trotz immer schnellerer Schüttler, winziger Magnetrührer oder der Anwendung von Ultra-Schallwellen: die Oberflächenspannung des Wassers und seine Bindung an die Gefäßwände verhindern, dass sich in den kleinen Näpfchen von so genannten Mikrotiterplatten oder auf dünnen Chip-Oberflächen Flüssigkeiten zufriedenstellend mischen lassen. "Das geschieht vor allem nicht schnell genug", weiß Rhode. "Es dauert immer noch viele Minuten, bis die Mischung komplett ist." Doch in dieser Zeit können bereits Nebenreaktionen ablaufen oder sich die Konzentrationen der Lösungen und ihre Temperatur gravierend verändern.
Deshalb suchten Rhode und ihre Arbeitsgruppe nach einem alternativen Weg des Mischens und haben ihn gefunden. Sie nutzen die so genannte "Marangoni-Konvektion", auch "thermocapillary convection" genannt. Das nach einem italienischen Winzer benannte Phänomen sieht so aus: Gibt man einen Tropfen Alkohol auf eine Wasseroberfläche, so lassen sich rasante Turbulenzen mit immer wiederkehrenden geometrischen Figuren an der Wasseroberfläche beobachten. "Besonders gut sieht man dies, wenn kleine Partikel, wie beispielsweise Pfeffer, auf dem Wasser schwimmen", so Rhode. Die Jenaer Biochemikerin und ihre Kollegen konnten nun erstmals und unerwartet zeigen, dass sich die "Marangoni-Konvektion" auch in sehr kleinen Reaktionsgefäßen erzeugen und so zum extrem schnellen Durchmischen nutzen lässt. "Innerhalb einer Sekunde sind alle nacheinander pipettierten Flüssigkeiten gemischt, selbst in einem 50 Mikrolitervolumen", versichert Rhode.
Die dazu benötigte Menge Alkohol ist übrigens nicht problematisch. Erstens sei diese "winziger als winzig". "Außerdem funktioniert die Methode auch mit vielen anderen mit Wasser mischbaren Lösungsmitteln", so Rhode. Die Anwender können also jeweils dasjenige Lösungsmittel für den "Sturm im Reaktionsgefäß" verwenden, das von den untersuchten Biomolekülen am besten vertragen wird.
(idw – Friedrich-Schiller-Universität Jena, 08.09.2006 – AHE)
