Mit rostigen Nanoperlen gegen Bioterrorismus

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" (doi: 10.1016/j.snb.2011.02.012). 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 Diagnosesytemen. 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."

Verstärktes Signal liefert Informationen

Wie in aktuellen Sensoren treffen die verdächtigen Substanzen in einem biochemisch aktivierten Bereich auf chemische Antikörper, sogenannte Liganden, an die sie binden und so eindeutig erkannt werden können. Im neuen System sitzen die Liganden zusätzlich auf den Eisenoxid-Perlen, so dass diese im Falle einer Wie in aktuellen Sensoren treffen die verdächtigen Substanzen in einem biochemisch aktivierten Bereich auf chemische Antikörper namens Liganden. Bleiben sie daran hängen und gehen eine Bindung ein, sind sie eindeutig erkennbar - jede Substanz hat ihren spezifisch passenden Liganden. Im neuen System sitzen die Antikörper zusätzlich auch auf den Eisenoxid-Perlen, so dass die Perlen im Falle einer Bindung an spezifischen Stellen im Aktivbereich festgehalten werden. Jetzt sendet ein Mikrowellenschaltkreis sein Signal aus. Dies wird nur dann gekoppelt und durch eine ferromagnetische Resonanz weiter verstärkt, wenn im Aktivbereich metallische Partikel vorhanden sind. In der Verstärkung ist 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.