14.05.2004

Große Teilchen, kleine Teilchen

Mit Hilfe von laminaren Strömungen durch eine Punktmatrix lassen sich Mikropartikel der Größe nach sortieren.

Große Teilchen, kleine Teilchen

Mit Hilfe von laminaren Strömungen durch eine Punktmatrix lassen sich Mikropartikel der Größe nach sortieren.

Princeton (USA) - Ob Biomolekül oder anorganische Mikropartikel: Forscher wünschen sich eine exakte Größenkontrolle der Teilchen, um sie einerseits besser analysieren oder andererseits nach ihren größenabhängigen chemischen und physikalischen Eigenschaften ordnen zu können. Amerikanische Wissenschaftler entwickelten nun ein elegantes Mikroraster, durch das sich einzelne Partikel in einem Flüssigkeitsstrom fast wie von selbst je nach ihrer Größe sortieren. Da die Methode, die sie in der Fachzeitschrift "Science" beschreiben, eine hohe Größenauflösung mit einem kontinuierlichen Fluss liefert, sehen die Forscher Vorteile gegenüber bisher verwendeten Mikrofiltern oder chromatographischen Verfahren.

"Mikrokügelchen mit 0,8, mit 0,9 und mit einem Mikrometer Durchmesser konnten wir innerhalb von 40 Sekunden mit einer Auflösung von zehn Nanometern sortieren", berichten Lotien Richard Huang und seine Kollegen vom Department of Electrical Engineering an der University Princeton. Mit photolithographischen Methoden ätzten sie ein periodisch angeordnetes Feld von acht Mikrometer breiten, zylinderförmigen Hindernissen aus einer Silizium-Oberfläche. Entlang der Fließrichtung versetzten sie die Siliziumzylinder allerdings um jeweils ein Zehntel ihres Durchmessers in der Horizontalen, also um 800 Nanometer. Wird nun eine Flüssigkeit mit einem Druck von drei Kilopascal durch diese Matrix getrieben, bilden sich laminare Strömungen aus, die an den Hindernissen auf Widerstand stoßen, sich gabeln und so im Prinzip zehn unterschiedliche Fließkanäle bilden. Je nach Größe nehmen die in der Flüssigkeit verteilten Partikel einen anderen Weg, bis am Ende der Flussmatrix die vorher ungeordneten Partikel sich gemäß ihrer Größe sortiert haben.

Abb.: Fluoreszierender Mikropartikel mit Durchmessern von 0,80 µm (grün), 0,90 µm (rot) und 1,03 µm (gelb) lassen sich mit einer Sortiermatrix, die in der Größe variierende Lücken aufweist, hochaufgelöst separieren. Die roten Balken im Diagramm des Fluoreszenzprofils (unten rechts) repräsentieren die Peak-Breite und die schwarzen Balken bezeichnen die 1%-ige Varianz in der Kügelchenpopulation. (a.u. = bel. Einheiten) (Quelle: Huang/Univ. Princeton)

Um die Sortiereigenschaften dieser Matrix zu testen, füllten Huang und Kollegen eine Mischung aus Polystyrol-Kügelchen (Durchmesser: 0,60; 0,70; 0,80; 0,90 und 1,03 µm) von oben ein. Da diese Kugeln je nach Größe verschiedenfarbig fluoreszierende Farbstoffe enthalten, kann ihr Weg durch die Sortiermatrix unter dem Mikroskop verfolgt werden. Je nachdem, wie weit der Mittelpunkt eines Partikels von dem folgenden Hindernis entfernt ist, verbleibt es in seinem Flusskanal oder wird in das benachbarte hinüber geschubst. Größere Partikel wandern so sukzessive in weiter rechts liegende Strömungen. Kleinere werden dagegen eher in die linken Flusskanäle transportiert. Hat ein Teilchen den seiner Größe entsprechenden Kanal gefunden, pendelt es sich auf einen Zick-Zack-Kurs um die folgenden Silizium-Hindernisse ein und kann nicht mehr in einen anderen Kanal für kleinere oder größere Teilchen hinüberwandern. Am Ausgang der Sortiermatrix können so an verschiedenen "Abzapfstellen" Tropfen aufgefangen werden, in denen nur noch Partikel einer einzigen Größe vorhanden sind. Im Testlauf erreichten die Forscher kontinuierliche Fließgeschwindigkeiten von etwa 40 Mikrometer pro Sekunde.

Nach dem erfolgreichen Verlauf mit starren, anorganischen Polystyrol-Kügelchen wechselten die Wissenschaftler auf eine Flüssigkeit mit flexiblen, biologischen Makromolekülen - künstliche DNA-Stränge auf der Basis von Chromosomen des Bakteriums Escherichia coli mit 61.000 und 158.000 Basen. Als Antrieb legten sie hier ein konstantes elektrisches Feld (12 V/m) an, durch das die Moleküle angezogen wurden.

Auch diese beiden Größen konnten zuverlässig voneinander mit einer Fließgeschwindigkeit von 20 µm/s getrennt werden. Damit wird diese elegante Sortiertechnik interessant für Lab-on-Chip-Systeme, in denen chemische und biologische Reaktionen in winzigen Mikrokanälen ablaufen. Huang hält es sogar für möglich, mit kleineren Hindernissen auf der Sortiermatrix im Nanometer-Bereich, zukünftig den Arbeitsbereich bis auf die Ebene von Viren oder kleineren Biomolekülen wie Proteinen ausweiten zu können.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

Weitere Literatur:

  • E. Heftmann, Chromatography: Fundamentalsand Applicationsof Chromatographic and Electrophoretic Methods (Elsevier Science, New York, ed. 4, 1983).  
  • L.R. Huang et al., Nature Biotechnol. 20, 1048 (2002).  
  • L. Dupont, G. J. Mortha, J. Chromatogr. A 1026, 129

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