Partikel in der Ultraschallfalle

  • 17. May 2017

Zwischen einem Ultraschall-Lautsprecher und einem Reflektor wird eine stehende Schallwelle erzeugt.

Immer häufiger werden Mikro­organismen indus­triell einge­setzt, um chemische Stoffe zu synthe­tisieren. Um genau über­wachen zu können, ob die Kleinst­lebewesen ihre Arbeit auch tat­sächlich ordnungs­gemäß erledigen, muss man sie zunächst an der richtigen Stelle festhalten. Das gelingt mit Hilfe einer Ultraschall­technik, die an der Tech­nischen Uni­versität Wien entwickelt wurde. Die neue Techno­logie lässt sich als einfachee Add-On mit einer bestehenden Process Analytical Techno­logy (PAT) kombi­nieren.

Abb.: Mit diesem Ultraschallgerät lassen sich in stehenden Schallwellen auch lebende Zellen festhalten. (Bild: TU Wien)

Abb.: Mit diesem Ultraschallgerät lassen sich in stehenden Schallwellen auch lebende Zellen festhalten. (Bild: TU Wien)

Die Bio­reaktoren, in denen man Mikro­organismen industriell einsetzt, sind alles andere als eine ruhige Umgebung zum vor­sichtigen Experi­mentieren: „Die Mikro­organismen befinden sich in einer Flüssig­keit, die ständig gerührt wird. Eine direkte Analyse der Mikro­organismen ist oft schwierig“, erklärt Bernhard Lendl vom Institut für Che­mische Techno­logien und Analytik der TU Wien. „Eine Mög­lichkeit ist die ATR-Spektro­skopie, bei der man die Mikro­organismen mit Infrarot-Licht analysiert.“ Das gelingt aber nur dann, wenn man die Mikro­organismen nahe am Infrarot-Messgerät festhält und gleich­zeitig verhindert, dass sie an der Sonde des Mess­gerätes festkleben. Genau das wird nun mit Hilfe der Ultra­schall-Techno­logie möglich, die Bernhard Lendl gemeinsam mit Stefan Radel aus der Forschungs­gruppe von Ewald Benes an der TU Wien ent­wickelte.

Zwischen einem Ultra­schall-Laut­sprecher und einem Reflektor wird direkt im Bio­reaktor eine stehende Schall­welle erzeugt. Dort, wo sich Wellen­berge befinden, ändert sich der Schall­druck Millionen mal pro Sekunde – dadurch werden die Zellen aus diesen Bereichen weggedrückt. An den Knoten­punkten hingegen bleibt der Schall­druck konstant, und genau dort sammeln sich die Zellen an. Das bietet eine ganze Reihe von Vorteilen: Man kann die Schall­wellen des etwa zigarren­großen Gerätes (Sonic-catch) dazu verwenden, gezielt bio­logische Partikel im Mess­bereich anzulagern oder aber fern zu halten. Man kann so entweder die Mikro­organismen selbst unter­suchen, oder statt­dessen die wässrige Lösung ana­lysieren, in der sie sich befinden.

Selbst lebende Zellen werden durch den Ultra­schall nicht geschädigt. Der Prozess­ablauf wird durch die Mess­technik nicht gestört. Durch gezielte kurze Ultra­schall-Pulse lässt sich die Sonde des Infra­rot-Mess­gerätes bei Bedarf reinigen, ohne dass man sie aus der Bio-Lösung heraus­nehmen oder mit zusätz­lichen Chemi­kalien behandeln müsste. „Die Ultra­schall-Technik ermöglicht eine erhöhte Mess­genauigkeit, eine höhere Empfindlich­keit bei gerin­geren Teilchen­konzentrationen und Echtzeit­messungen und somit gezielte Prozess­steuerung, selbst bei schwierigen Bedin­gungen. Bei einem häufig einge­setzten Mess­verfahren haben wir eine Erhöhung der Empfind­lichkeit um den Faktor 100 fest­gestellt“, sagt Stefan Radel.

TU Wien / JOL

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