Nanosensor erschnuppert Krankheitserreger

Mit Nanoröhrchen auf einem Chip lassen sich selbst kleinste Spuren von Erbsubstanz schell und zuverlässig nachweisen.

Mit neuen Sensoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben Forscher des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung winzige Spuren der Erbsubstanz DNS nachgewiesen. Weil die Sensoren auf spezifische DNS-Sequenzen ansprechen, lassen sie sich prinzipiell für die schnelle Untersuchung von Blutproben verwenden. Der Nachweis von DNS ist notwendig, um unterschiedliche Krankheiten wie Infektionen durch Viren oder Mikroben zu diagnostizieren. Die Empfindlichkeit des Verfahrens ist so hoch, dass die DNS anders als bislang nicht mehr zeitaufwendig aufkonzentriert oder markiert werden muss.

 

Abb.: Sensor-Chip für die Suche nach Krankheitserregern. Das Bild eines Rasterkraftmikroskops (unten) zeigt die Nanoröhrchen zwischen zwei Platin-Elektroden. (Bild: K. Balasubramanian / Angewandte Chemie)

 

Herzstück des Sensorchips der Forscher um Kannan Balasubramanian sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen, an die vor der Messung bestimmte DNS-Moleküle gebunden werden. Diese können sich jeweils mit dem nachzuweisenden DNS-Molekül - und nur mit diesem - zu einer DNS-Doppelhelix verbinden. Dies beeinflusst das Nanoröhrchen ebenso als würde sich ein Molekül direkt an seine Oberfläche binden: Die Elektronendichte auf dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen verändert sich und damit dessen Leitfähigkeit.

Auf dem Chip befinden sich weiterhin zwei Elektroden, die durch mehrere dieser vorbehandelten Kohlenstoffröhrchen verbunden sind. Sie bilden einen wenige Mikrometer breiten Kanal, durch den die zu untersuchende Lösung fließt, und in Kontakt mit den Nanoröhrchen tritt. Die Elektroden lassen sich an ein Messgerät anschließen, das die Änderung der Leitfähigkeit bestimmt. Durch eine chemische Prozedur können die DNS-Moleküle nach der Messung wieder von den Nanoröhrchen abgelöst werden, sodass der Sensor wieder verwendet werden konnte. Eine so genannte Referenzelektrode macht die Messergebnisse reproduzierbar und stabil.

Bei einem ersten Versuch mit einer künstlichen Lösung aus synthetischen DNS-Molekülen fanden die Forscher eine so geringe Spur der gesuchten Moleküle, wie sie bislang kein Sensor nachweisen konnte. In Zahlen ausgedrückt wies der Sensor 2000 Moleküle der gesuchten DNS in 30 Mikrolitern Lösung nach. Das entspricht einer 100 attomolaren DNS-Lösung. „Wir glauben, dass die Methode soweit verfeinert werden kann, dass noch weit geringere Konzentrationen, im Extremfall sogar einzelne Moleküle nachgewiesen werden können“, sagt Balasubramanian.

Die Stuttgarter Forscher haben außerdem eine Routinemethode für die Herstellung ihrer Nanosensoren entwickelt, die prinzipiell eine schnelle Serienfertigung ermöglicht. Das Endprodukt könnte ein handygroßer Analyseapparat sein, der sich im Feld, etwa in einem von einer Epidemie betroffenen Gebiet, einsetzen ließe.

Max-Planck-Gesellschaft / AL