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Lab-on-a-chip: Ventile für winzige Teilchen

Neuentwickelte Nano-Ventile sind in der Lage, sogar einzelne Nanopartikel in Flüssigkeiten sogenannter Lab-on-a-Chip Anwendungen zu steuern. Forscher der ETH Zürich arbeiten mit in einen Siliziumchip geätzten Leitungen, die einen Durchmesser von nur 300 bis 500 Nanometer haben.

Nanoventile Bildquelle: © ETH Zürich / Giacomo Sebastiano Palamara

Die Ventile eignen sich für eine große Palette winziger Teilchen, darunter einzelne Metall- oder Halbleiter-Nanoteilchen, Viruspartikel, Liposomen oder größere Biomoleküle wie Antikörper. Sie  funktionieren anders als klassische Ventile, mit denen eine Leitung wie bei einem Wasserhahn mechanisch verschlossen und geöffnet werden.

»Solche mechanischen Ventile lassen sich zwar miniaturisieren, aber nicht beliebig weit«, erklärt ETH-Professor Poulikakos.  Für kleinste Leitungen, deren Durchmesser weniger als ein Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haares beträgt, konstruierten die Forscher Nanoventile, indem  sie die Leitung mittels Nanolithografie verengten und auf beiden Seiten der Engstelle eine Elektrode anbrachten.

»Einzelne Nanopartikel in einer Flüssigkeit zu untersuchen, ist grundsätzlich schwierig, weil auf der Nanoskala die Brownsche Molekularbewegung wirkt«, erklärt Hadi Eghlidi, Senior Scientist in Poulikakos’ Gruppe. Die kleinen Teilchen halten nicht still, sondern zittern ständig, mit einem Bewegungsradius, der ein Vielfaches ihres Durchmessers beträgt. »Zwischen zwei oder mehreren Ventilen können wir die Moleküle jedoch auf engem Raum festhalten, und sie so zum Beispiel unter einem Mikroskop untersuchen.«

Nanopartikel in reinem Wasser können die Engstelle nicht einfach so passieren. Für sie ist das Ventil im Grundzustand geschlossen. Indem die Elektroden in bestimmter Weise aktiviert werden, ändert sich das elektrische Feld an der Engstelle. Dies führt dazu, dass eine Kraft auf anwesende Nanopartikel wirkt, welche die Teilchen durch die Engstelle stoßen – das Ventil wird so geöffnet. Nanopartikel in einer salzhaltigen Lösung verhalten sich hingegen anders: Sie können die Engstelle im Grundzustand passieren – das Ventil ist für sie geöffnet. Wie die Wissenschaftler zeigen konnten, lassen sich diese Partikel jedoch durch Anlegen von Wechselstromfeldern an den Elektroden zurückhalten. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel biologische Partikel wie Viren, Liposome oder Antikörper handhaben, die normalerweise in salzhaltigen Flüssigkeiten vorliegen.

Im Rahmen eines Machbarkeitsnachweises erstellten die Wissenschaftler auf einem Siliziumchip eine Vereinzelungs- und Sortierungsschleuse mit einer Verzweigung und drei Ventilen. 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 verlässt. Nanopartikel in Flüssigkeit können so in zwei Klassen sortiert werden. Den ETH-Forschenden gelang es gemeinsam mit Kollegen der Universität Zürich, mit diesem System sogar winzige Halbleiter-Nanopartikel (sogenannte Quantenpunkte) sowie Antikörper – beides mit nur 10 Nanometern Durchmesser – zu handhaben.

Mit der neuen Technologie lässt sich auf einem Siliziumchip im Prinzip ein beliebig komplexes Nanoleitungssystem mit beliebig vielen steuerbaren Ventilen anordnen. »Mittels Feineinstellung des elektrischen Feldes an den Elektroden könnte es in Zukunft sogar möglich sein, die Ventile als Filter zu benutzten, die Partikel mit bestimmten physikalischen Eigenschaften durchlassen, andere jedoch nicht«, sagt Christian Höller, Doktorand in Poulikakos’ Gruppe.