Eine externe Kraft, die Ordnung schafft
Augsburger Physikern ist eine hochaufgelöste, gegenläufige Partikeltrennung via Entropie gelungen.
Schnell, einfach zu bedienen und von hoher Genauigkeit: so sieht das ideale Analysegerät aus. Tatsächlich gibt es bereits eine Vielzahl an Apparaturen, die kleinste Spuren einer gesuchten Substanz nachweisen können. Doch in den bestehenden Methoden steckt noch ein großes Entwicklungspotential. Die Augsburger Wissenschaftler Peter Hänggi und Gerhard Schmid haben gemeinsam mit Kollegen von der Universität Barcelona nun ein besonders exaktes Trennverfahren für unterschiedlich große DNA-Fragmente entwickelt. Dabei machten sich die Wissenschaftler die verschiedenen Entropie-Potentiale für die Teilchendynamik zunutze. Computersimulationen zeigten, dass die Partikel sich dadurch in zwei verschiedene Richtungen auftrennen. Zudem ergaben die Berechnungen, dass das Verfahren eine Reinheit von 99,9 Prozent erreichen kann, was deutlich über den herkömmlichen Methoden liegt.
Abb.: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips des entropischen Trennungsverfahrens. (Bild: D. Reguera, Phys. Rev. Lett.)
Im Mittelpunkt des Verfahrens steht ein Röhrchen mit einem wenige Mikrometer breiten Durchmesser. Von innen ist es mit einer asymmetrisch gezackten Struktur versehen, ähnlich einem Sägezahnblatt. Von links nach rechts gesehen entspricht die Geometrie langsam ansteigenden Rampen, von deren Spitze es steil nach unten geht. Auf diesem Wechsel basiert die Trennung von Partikeln unterschiedlicher Größe, die sich in diesem Szenario zunächst nur durch die Brownsche Molekularbewegung angetrieben in dem Röhrchen hin- und her bewegen.
Die Physiker setzten die Brownschen Teilchen zusätzlich der Wirkung einer oszillierenden und einer konstanten Kraft aus. Dabei war die konstante Kraft jedoch so schwach, dass sie lediglich das Wanderverhalten der kleinen Partikel nach links unterstützte, die Orientierung der großen Partikel jedoch de facto nicht beeinflusste. Die kleinen Partikel überwanden somit auch die steileren Passagen nach links – die Entropie-Barrieren – während die größeren Partikeln lediglich den leichteren Anstieg nach rechts über die flachere Strecke nehmen konnten. Auf diese Weise entwickelten die kleineren Partikel einen Trend nach links, die größeren Partikel wanderten geschlossen nach rechts. Mit diesem Zusatz zeigten die Physiker, wie die Trennung deutlich schneller und eindeutiger vonstatten gehen kann.
Die neue Methode besticht in erster Linie durch die extrem hohe Reinheit, die vor allem auf dem Prinzip der gegenläufigen Trennung basiert. Hinzu kommt die Möglichkeit, dass die Nutzer die Geometrie des Systems ohne großen Aufwand an verschiedene Partikelgrößen anpassen können. Auch wenn der Versuchsaufbau vorerst nur für kleine Probenmengen geeignet ist, so lassen sich problemlos mehrere Röhrenmodule parallel auf einen Trägerchip aufbringen und beladen. Zudem bewirkt die so gut wie vollständige Trennung der Partikelmischung, dass keine Probenreste im System verbleiben und die nächste Analyse sofort und kontinuierlich starten kann.
„Diese Idee einer Trennung von Teilchen unterschiedlicher Größe auf der Basis entropischer Kräfte im Zusammenspiel mit Brownscher Bewegung und externen Kraftfeldern ermöglicht ein neues Szenario, heterogene Mischungen von Partikeln schnell und mit größter Sensitivität aufreinigen zu können", erklärt Peter Hänggi. „Die Methode könnte somit die gängigen Verfahren in der Medizin und der Technik verdrängen und eine neue Phase der Aufbereitung von heterogenen Substanzen begründen."
B. Gebauer/NIM / PH
