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Die Welt der kleinsten Teilchen
Am Institut für Nano- und Biotechnologien werden Nanopartikel
für Forschung und Wirtschaft nutzbar gemacht
Eine 20-Lagen-Multischicht von
Nanoröhrchen fungiert als Biosensor
Die Welt der Nanoteilchen liegt im Verborgenen,
denn die Partikel sind mit dem
bloßen Auge nicht sichtbar. Ein Nanometer
entspricht einem Milliardstel Meter – das
ist ein Tausendstel von einer menschlichen
Haarspitze. Entsprechend leitet sich „Nano“
aus dem griechischen Wort für „Zwerg“ ab.
Wer denkt, dass die Nanotechnologie erst
im Hightechzeitalter zur Anwendung gekommen
ist, liegt falsch: Schon in chinesischen
Keramiken fanden Wissenschaftler
winzige Farbpartikel. Auch die legendären
japanischen Samuraischwerter wären
nichts ohne zertrümmerte Kohlenstoffmoleküle,
die beim Schmieden entstanden
und dem Metall ihre unvergleichliche Härte
verliehen. Prof. dr. Michael J. Schöning,
Leiter des Instituts für Nano- und Biotechnologien
(INB) der FH Aachen, lenkt den
Blick auf die technischen Meisterwerke
der Neuzeit: „Laserpointer, Computer, Ihr
Handy – all das wäre ohne Nanotechnologie
nicht möglich, beziehungsweise nicht
so, wie Sie es heute kennen!“
Ein Computer mit der heutigen Leistungsfähigkeit
etwa wäre ohne Mikroelektronik
und Nanotechnik ein zimmergroßes Gerät,
in dem Spulen, Trafos, Kondensatoren et
cetera Platz finden müssten. „Nanotechnik
miniaturisiert all diese großen Bauelemente“,
resümiert Prof. Schöning.
derzeit laufen unter der Obhut von Prof.
Schöning und Prof. dr. Arshak Poghossian
drei aktuelle Forschungsarbeiten
im Bereich der Biosensorik, bei denen
Nanotechnologie unmittelbar zum Tragen
kommt. drei unterschiedliche Wege mit
nur einem Ziel: biologische Moleküle auf
einem Mikrochip zu fixieren, der dank
dieser Biokomponenten in der Lage ist,
chemische oder biologische Substanzen
zu identifizieren. Beispiele aus der Praxis
sind Schwangerschaftstests und Glukosetester
für diabetiker, die nur deshalb
funktionieren, weil an der Oberfläche des
Sensors Biomoleküle fixiert sind, die das
Schwangerschaftshormon im Urin oder
den Glukosegehalt im Blut binden und auf
diese Weise analysieren können. Auch
hier: Nanotechnologie, wo man sie nicht
vermutet hätte. die kleinsten Teilchen sind
längst zu unsichtbaren Helfern in unserem
modernen Alltag geworden.
die Arbeit, die hinter den winzigen Sensoren
steckt, ist indes immens: „Wir
brauchen bis zu 200 Prozessschritte, um
eine Halbleiterstruktur zu schaffen, auf
der die Biomoleküle fixiert werden können“,
erklärt Prof. Schöning. das Problem,
vor dem die Wissenschaftler stehen, ist
ebenso einfach wie verzwickt: Wie schafft
man einen Anreiz für Biomoleküle, sich
an der Oberfläche des Halbleiterchips
immobilisieren zu lassen?
Eine Strategie wird derzeit im Rahmen
der doktorarbeit von Maryam Hadji
Abouzar gemeinsam mit dr. Jenny Gun
von der Hebrew-Universität in Jerusalem
und dem Forschungszentrum Jülich
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entwickelt. Abouzar und Gun setzen auf
Goldnanopartikel als sogenannte „Spacer“,
die als Ankergruppen fungieren und den
Biomolekülen ein Andocken an der Chip-
Oberfläche ermöglichen. Nanopartikel aus
Gold haben als redox-aktive und leitende
Partikel exzellente Eigenschaften, um
Biomoleküle zu binden und dieses Material
zu analysieren.
Eine weitere Strategie, um Biomoleküle
in den dienst der Sensoren zu stellen,
nimmt ein ähnlich wertvolles Material zur
Arbeitsgrundlage: diamant, synthetischer
diamant allerdings, aus Kohlenstoffmolekülen.
der Vorteil: Nanokristalliner
diamant ist von sich aus biokompatibel
und schafft damit beste Voraussetzungen
für ein Andocken von Biomolekülen an den
Sensor. An diesem Projekt arbeitet derzeit
Matthias Bäcker als doktorand, Unterstützung
erhält er von der Universität Hasselt
aus Belgien.
Jenseits von hochwertig klingenden Materialien
kam der brasilianische Gastwissenschaftler
José R. Siqueira von der Universität
São Paulo gemeinsam mit den Jülicher
Forschern auf die Idee, ein ganzes Netz
von Kohlenstoffnanoröhrchen flächendeckend
auf die Oberfläche des Sensors zu
applizieren. der Chip wird behutsam in
eine Lösung mit Nanoröhrchen getaucht,
die als hauchdünne Schicht haften bleiben.
„Wir wiederholen den Vorgang bis zu
20 Mal, sodass eine solide Multischicht
entsteht, auf der sich Biomoleküle �