Ventile für winzige Teilchen

Forscher der ETH Zürich haben winzige Ventile entwickelt, mit denen sich ein­zelne Nano­teil­chen aus Flüssig­keiten sepa­rieren und sor­tieren lassen. Die Ventile eignen sich für eine große Palette win­ziger Teil­chen, darunter ein­zelne Metall- oder Halb­leiter-Nano­teil­chen, Virus­partikel, Lipo­somen oder größere Bio­mole­küle wie Anti­körper. Die Nano­ventile funktio­nieren anders als klas­sische Ventile, mit denen eine Leitung wie bei einem Wasser­hahn mecha­nisch ver­schlossen und geöffnet werden. „Solche mecha­nischen Ventile lassen sich zwar minia­turi­sieren, aber nicht beliebig weit“, erklärt Dimos Pouli­kakos von der ETH. „Sind Leitungen dünner als einige hundert Mikro­meter, lassen sie sich mecha­nisch nicht ver­schließen und öffnen.“

Um auch rund hundertmal feinere Leitungen beliebig oft öffnen und schließen zu können, setzen die Wissen­schaftler elek­trische Kräfte ein. Die Forscher arbei­teten mit in einen Silizium­chip geätzten Leitungen, die einen Durch­messer von nur drei- bis fünf­hundert Nano­metern auf­weisen. In diesen Leitungen konstru­ierten sie Nano­ventile, in dem sie die Leitung mittels Nano­litho­grafie leicht ver­engten und auf beiden Seiten der Eng­stelle eine Elek­trode anbrachten. Nano­partikel in reinem Wasser können die Eng­stelle nicht ein­fach so passieren. Für sie ist das Ventil im Grund­zu­stand geschlossen. Indem die Elek­troden in bestimmter Weise akti­viert werden, ändert sich das elek­trische Feld an der Eng­stelle. Das führt dazu, dass eine Kraft auf an­wesende Nano­partikel wirkt, welche die Teil­chen durch die Eng­stelle stoßen – das Ventil lässt sich so öffnen.

Nanopartikel in einer salzhaltigen Lösung verhalten sich hingegen anders: Sie können die Eng­stelle im Grund­zu­stand passieren – das Ventil ist für sie geöffnet. Wie die Wissen­schaftler zeigen konnten, lassen sich diese Partikel jedoch durch geschicktes Anlegen von Wechsel­strom­feldern an den Elek­troden zurück­halten. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel bio­lo­gische Partikel wie Viren, Lipo­some oder Anti­körper hand­haben, die sowohl natür­licher­weise als auch in Labors normaler­weise in salz­haltigen Flüssig­keiten vor­liegen.

„Einzelne Nanopartikel in einer Flüssigkeit zu unter­suchen, ist grund­sätz­lich schwierig, weil auf der Nano­skala die Brown­sche Mole­kular­bewegung wirkt“, erklärt Team-Mitglied Hadi Eghlidi. Die kleinen Teil­chen halten nicht still, sondern zittern ständig, mit einem Bewe­gungs­radius, der ein Viel­faches ihres Durch­messers beträgt. „Zwischen zwei oder mehreren Ventilen können wir die Mole­küle jedoch auf engem Raum fest­halten, und sie so zum Beispiel unter einem Mikro­skop unter­suchen.“

Im Rahmen eines Machbarkeitsnachweises erstellten die Wissen­schaftler auf einem Silizium­chip eine Ver­ein­zelungs- und Sortie­rungs­schleuse mit einer Ver­zwei­gung und drei Ventilen. An der Ver­zwei­gungs­stelle kann ein ein­zelnes Nano­partikel fest­ge­halten und unter­sucht werden. Anschlie­ßend kann man die Ventile so steuern, dass das Teil­chen das System durch eine von zwei Aus­gangs­lei­tungen ver­lässt. Nano­partikel in Flüs­sig­keit können so in zwei Klassen sor­tiert werden. Den Forschern gelang es gemeinsam mit Kollegen der Uni Zürich, mit diesem System sogar winzige Halb­leiter-Nano­partikel sowie Anti­körper – beide mit nur zehn Nano­metern Durch­messer – zu hand­haben.

Wie die Wissenschaftler betonen, lässt sich auf einem Silizium­chip im Prinzip ein beliebig komplexes Nano­lei­tungs­system mit beliebig vielen steuer­baren Ventilen anordnen. „Mittels Fein­ein­stel­lung des elek­trischen Feldes an den Elek­troden könnte es in Zukunft sogar möglich sein, die Ventile als Filter zu benutzten, die Partikel mit bestimmten physi­ka­lischen Eigen­schaften durch­lassen, andere jedoch nicht“, sagt Team-Mitglied Christian Höller. Die Wissen­schaftler möchten die Technik nun gemein­sam mit Partnern weiter­ent­wickeln, um sie reif zu machen für Anwen­dungen in der Forschung. Es ließen sich damit auf einem kleinen Chip beispielsweise Teilchen sortieren, was für die Materialwissenschaft oder die Bio­medizin inte­res­sant wäre. Denkbar wären auch Anwen­dungen, um synthe­tische Teil­chen oder bio­lo­gische Partikel zu ver­einzeln, um sie zum Beispiel mikro­skopisch zu unter­suchen oder um den Ein­fluss von pharma­zeu­tischen Wirk­stoffen auf sie zu analy­sieren.

ETH Zürich / RK