Nieder mit der Brownschen Bewegung!

Die „anti-brownsche“ Falle treibt Mikropartikeln in Flüssigkeiten das molekulare Zittern aus.

Im Mai 1905 hatte Albert Einstein in seiner ersten Arbeit über die Brownsche Molekularbewegung gezeigt, „daß nach der molekular-kinetischen Theorie der Wärme in Flüssigkeiten suspendierte Körper von mikroskopisch sichtbarer Größe infolge der Molekularbewegung der Wärme Bewegungen von solcher Größe ausführen müssen, daß diese Bewegungen leicht mit dem Mikroskop nachgewiesen werden können.“ Es sei möglich, fügte er vorsichtig hinzu, dass diese Bewegungen mit der Brownschen Molekularbewegung identisch sind.

Heutzutage macht sich die Brownsche Molekularbewegung zumeist störend bemerkbar, etwa bei molekularbiologischen Experimenten. Das unaufhörliche Zappeln und Zittern von Nanopartikeln oder größeren Molekülen, die in Lösungen schwimmen, lässt sich mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie leicht verfolgen. Schwierig wird es jedoch, wenn man die mikroskopischen Teilchen festhalten oder in eine gewünschte Position bringen will. Zwar kann man inzwischen mikrometergroße ungeladene Objekte mit Laserpinzetten oder inhomogenen elektrischen Feldern festhalten und bewegen. Bei Nanopartikeln sind die dabei zur Verfügung stehenden Kräfte jedoch zu schwach, um der Molekularbewegung entgegenwirken zu können.

Doch jetzt haben Adam Cohen und William Moerner von der Stanford University die so genannte Anti-Brownsche ELektrophoretische Falle entwickelt. Mit der ABEL-Falle kann man der Brownschen Bewegung elektrisch geladener Nanopartikel, die in Wasser schwimmen, Paroli bieten. Dazu verfolgt man die momentane Bewegung eines Teilchens mit einer Videokamera und macht sie anschließend mit Hilfe von wohldosierten elektrischen Feldern wieder rückgängig. Das Teilchen befindet sich dabei im Zentrum der ABEL-Falle, umgeben von vier kreuzförmig angeordneten, 200 nm dicken Goldelektroden, die auf ein Glasplättchen aufgetragen wurden (Abb.). Zwischen den Elektroden ist ein mehrere Mikrometer breiter wassergefüllter Bereich, in dem sich das Nanoteilchen umherbewegen kann. Durch die Stärke der elektrischen Spannungen, die an die Goldelektroden angelegt werden, kann man das Teilchen in die gewünschte horizontale Richtung bewegen.

In einer ABEL-Falle verfolgt man die momentane Bewegung eines Teilchens mit einer Videokamera und macht sie anschließend mit Hilfe von wohldosierten elektrischen Feldern wieder rückgängig. Das Teilchen befindet sich dabei im Zentrum, umgeben von vier kreuzförmig angeordneten Goldelektroden. (Quelle: Cohen/Moerner)

Die Forscher benutzten Polystyrolkügelchen von 20 bis 200 nm Durchmesser, die mit fluoreszierenden Molekülen markiert waren und im Wasser elektrische Ladung aufnahmen. In der ABEL-Falle wurde ein solches Kügelchen mit einem Laser bestrahlt und das Fluoreszenzleuchten 60-mal in der Sekunde mit einer CCD-Kamera aufgenommen. Ein Mikroprozessor wertete das Bild aus und berechnete aus der Information über die Bewegung des Teilchens eine Steuerspannung, die auf die Goldelektroden gegeben wurde. So blieb das Teilchen im Zentrum der Falle beliebig lange gefangen, statt innerhalb von wenigen Sekunden mehrere Mikrometer weit umher zu wandern, wie man das bei abgeschalteter Falle sehen konnte. Ein 200 nm großes, gefangenes Kügelchen schwankte etwa 1 Mikrometer um das Zentrum der Falle. Das entsprach einer Kraftkonstanten von 1,7 nN/m, mit der das Kügelchen festgehalten wurde. Die Forscher konnten das Kügelchen in der Falle auch gezielt hin und her bewegen, zum Beispiel längs einer Bahn, die die Form eines leicht zittrigen Smileys hatte.

Um die Schwankungen der in der ABEL-Falle festgehaltenen Nanoteilchen weiter zu verringern, könnte man höhere Spannungen an die Goldelektroden anlegen oder schneller auf die Bewegungen der Teilchen reagieren. Die Berechnungen der Forscher zeigten, dass die elektrischen Kräfte, die auf ein 20 nm großes Kügelchen wirkten, schon groß genug waren: Das Teilchen hätte sich nur um knapp 2 nm in der Falle hin und her bewegt, wenn die „Reaktionszeit“ der Falle keine Rolle gespielt hätte. Doch tatsächlich war die Reaktionszeit mit 1/60 Sekunde so lang, dass das Kügelchen in dieser Zeit schon etwa 900 nm weit diffundiert war, bevor die Falle diese Bewegung wieder rückgängig machen konnte. Mit einer schnelleren Kamera ausgerüstet, ließe sich die ABEL-Falle sicherlich noch wesentlich verbessern. Mit Reaktionszeiten von 1/500 Sekunde könnte die Falle sogar einzelne fluoreszierende Moleküle mikrometergenau positionieren. Cohen und Moerner sind zuversichtlich, dass ihre ABEL-Falle Anwendung in vielen Bereichen finden könnte, so zum Beispiel in der Einzelmolekülspektroskopie und bei der Identifizierung von Biomolekülen.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Adam E. Cohen and W. E. Moerner: Method for trapping and manipulating nanoscale objects in solution. Appl. Phys. Lett. 86, 093109 (2005).
  http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APPLAB000086000009093109000001
  http://dx.doi.org/10.1063/1.1872220 
• Moerner-Lab:
  http://www.stanford.edu/group/moerner/ 
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Weitere Literatur:

• A. Einstein: Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen. Annalen der Physik 17, 549 (1905).
  http://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/papers/1905_17_549-560.pdf (frei!) 
• A. Einstein: Zur Theorie der Brownschen Bewegung. Annalen der Physik 19, 371 (1906).
  http://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/papers/1906_19_371-381.pdf (frei!) 
• P. R. C. Gascoyne and J. V. Vykoukal: Dielectrophoresis-Based Sample Handling in General-Purpose Programmable Diagnostic Instruments. Proc. IEEE 92, 22 (2004).
  http://www.dielectrophoresis.org/Documents/FullReprints/repr083.pdf (frei!) 
• Joel Voldman et al.: Holding Forces of Single-Particle Dielectrophoretic Traps. Biophys. J. 80, 531 (2001).
  http://www.biophysj.org/cgi/content/abstract/80/1/531 (frei!) 
• Charlie Gosse and Vincent Croquette: Magnetic Tweezers: Micromanipulation and Force Measurement at the Molecular Level. Biophys. J. 82, 3314 (2002).
  http://www.biophysj.org/cgi/content/abstract/82/6/3314