Bis auf Femtonewton genau

  • 17. May 2017

Optomechanischer Nanosensor detektiert selbst kleinste biomechanische Zellprozesse.

Mit ihrer atom­feinen Spitze können Raster­kraft­mikroskope winzige Kräfte bis auf einige Piko­newton genau bestimmen. Noch genauer konnten nun Physiker der Uni­versity of California San Diego mit einem optischen Kraft­sensor, basierend auf einer Nano­faser aus Zinnoxid, messen. Mit einer Empfind­lichkeit bin in den Femto­newton­bereich gelang es ihnen, sogar extrem schwachen Schall­wellen – verur­sacht von einzelnen Herzmuskel­zellen – zu lauschen. Dieses optische Nano­stethoskop eröffnet damit völlig neue Möglich­keiten, um kleinste, bio­mechanische Zell­prozesse zu ana­lysieren.

Abb.: Messprinzip des optomechanischen Nanostethoskops: Über ihre Bewegung drücken Bakterien Goldpartikel in einen Kunststoffmantel um eine Nanofaser. Dadurch wird die Streuung von UV-Laserlicht in der Faser beeinflusst. So lassen sich die wirkenden Kräfte bis auf 160 Femtonewton genau bestimmen. (Bild: R. S. Miller / UC Regents)

Abb.: Messprinzip des optomechanischen Nanostethoskops: Über ihre Bewegung drücken Bakterien Goldpartikel in einen Kunststoffmantel um eine Nanofaser. Dadurch wird die Streuung von UV-Laserlicht in der Faser beeinflusst und es lassen sich die wirkenden Kräfte bis auf 160 Femtonewton genau bestimmen. (Bild: R. S. Miller / UC Regents)

„Die Methode ist empfind­lich genug, um die akus­tische Signa­tur von bio­logischen Orga­nismen zu detek­tieren“, sagt Donald J. Sirbuly vom Depart­ment of Nano-Engi­neering an der UC San Diego in La Jolla. Dazu fertigte er gemeinsam mit seinen Kollegen eine nur wenige Dutzend Nano­meter dünne Nano­faser aus Zinnoxid. Diese Faser um­hüllten sie mit einer 15 Nano­meter dünnen Schicht aus dem flexiblen Kunst­stoff Poly­ethylen­glykol. Auf diesen Kunststoff­mantel setzten sie einzelne Nano­partikel aus Gold, die über elektro­statische Kräfte haften blieben. Abhängig von den Rand­bedingungen wurden die Gold­partikel in den weichen Kunst­stoffmantel gedrückt und verän­derten dadurch ihre Position.

Um mit dieser Sonde nun kleinste Kräfte zu messen, schickten Sirbuly und Kollegen ultra­violettes Laserlicht (325 nm Wellenlänge) durch die Nano­faser. Die Licht­wellen wurden von den Gold­partikeln über eine Wechsel­wirkung zwischen Plasmonen und der dielek­trischen Nano­faser gestreut. Danach ließ sich das Streu­licht mit empfind­lichen Licht­sensoren am Ende der Faser auffangen. Die Inten­sität des gestreuten Lichts hing dabei stark von der Position der ein­zelnen Gold­partikel ab, die mit den auf ihnen wir­kenden Drücken variierte.

Um die hohe Mess­empfindlich­keit zu demon­strieren, tauchten die Forscher die Nanofaser in eine Nährstoff­lösung mit lebenden Herzmuskel­zellen von Mäusen. Die rhyth­mische Bewegung der Zellen erzeugte kleine Druck­schwankungen im flüssigem Medium. Schwache Schall­wellen breiteten sich aus und drückten die Gold­partikel etwas in die flexible Kunststoff­schicht hinein. Dadurch verur­sachten sie eine messbare Veränderung der Licht­streuung. Über die Analyse des gestreuten Lichts konnten die Forscher auf die Inten­sität der akus­tischen Wellen zurück­schließen. Die Nachweis­grenze lag bei einem verblüffend geringen Wert von -30 dB, weit unterhalb der Hör­schwelle des Menschens.

In weiteren Versuchen wandten die Forscher ihr Nano­stethoskop auf ein Nähr­medium mit Bakterien der Art Helio­bacter pylori an. Bei ihrer Bewegung übten die Mikro­organismen kleinste Drücke aus, die ebenfalls die Position der Gold­partikel veränderten und somit die Licht­streuung beein­flussten. Die Nachweis­grenze lag in diesen Versuchen bei etwa 160 Femto­newton. Damit konnte das Nano­stethoskop bis zu zehnmal empfind­licher messen als ein Raster­kraft­mikroskop, das heute zu den sen­sibelsten Druck­messern überhaupt zählt. Ein weiterer Vorteil liegt in der ge­ringen Größe der Nano­faser, so dass sie genau zu einer fast belie­big kleinen Probe geführt werden könnte.

„Wir glauben, dass diese Techno­logie schnell einen Einfluss auf funda­mentale bio­logische Forschung haben wird, den Nachweis von mecha­nischen Zell­prozessen und eine frühe Krankheits­diagnose einge­schlossen“, sagt Sirbuly. So rechnet er damit, dass sein opto­mechanisches Verfahren völlig neue Einblicke in bio­mechanische Prozesse ein­zelner Zellen und Bakterien eröffnen wird. Je nach Mess­bereich ließen sich weichere als auch härtere Kunststoff­hüllen für die Nanofaser nutzen. Er hält es sogar prinzi­piell für möglich, mit seinem Nano­stethoskop akute Verän­derungen von Zellen etwa nach einem Virus­befall oder bei der Wandlung zu einer Krebs­zelle über die extrem genaue Kraft­messung nach­weisen zu können.

Jan Oliver Löfken

JOL

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