Riesenschritt in Miniwelt: Ladung von Nano-Partikeln vermessen

  • 30. July 2012

Elektrostatische Ladung – wie Materie im Millionstelmillimeterbereich funktioniert.

Um die einzelnen Teilchen einer Lösung beobachten zu können, locken Madhavi Krishnan und ihre Mitarbeiter jedes von ihnen in eine elektrostatische Falle. Dazu erzeugten sie zwischen zwei winzigen Glasplatten tausende von runden Energielöchern. Der Trick ist, diese Löcher nur sehr schwach elektrostatisch zu laden. Geben die Wissenschaftler nun einen Tropfen Lösung auf die Plättchen, fällt jedes Teilchen in ein Energieloch und bleibt dort gefangen. Doch es ruht nicht still in seiner Falle, sondern wird ständig von den Molekülen in der Lösung angestupst. Dadurch bewegt es sich kreisförmig. „Diese Bewegungen messen wir und können daran die Ladung jedes einzelnen Teilchens bestimmen“, erklärt Krishnan.

Querschnitt durch zwei Glasplatten in Chip-Größe, in dem ein Nano-Partikelchen in einem Potentialtopf gefangen ist

Abb.: Querschnitt durch zwei Glasplatten in Chip-Größe, in dem ein Nano-Partikelchen in einem Potentialtopf gefangen ist. Die Farben zeigen die unterschiedlichen Ladungen im elektrostatischen Feld. Dabei ist der rote Bereich sehr niedrig, der blaue Rand hingegen stark geladen. (Bild: UZH)

Denn einfach gesagt ziehen die Partikel mit einer nur geringen Ladung in ihren Fallen große Kreise, diejenigen mit einer hohen Ladung nur kleine. Ähnlich bestimmte Robert A. Millikan vor 100 Jahren in seinem Öltropf-Experiment, wie schnell sich elektrisch geladene Öltropfen bewegen. „Doch er untersuchte die Tropfen in einem Vakuum“, erläutert die Biophysikerin und Nanophotonik-Expertin. „Wir dagegen untersuchen Nano-Teilchen in einer Lösung, die selbst die Eigenschaften der Partikel beeinflusst.“

Für alle Lösungen, die in der Industrie hergestellt werden, ist die elektrische Ladung der enthaltenen Nano-Partikel ebenfalls entscheidend, denn erst sie ermöglicht, dass eine flüssige Lösung so bleibt wie sie ist und nicht verklumpt. „Mit unserer neuen Methode erhalten wir ein Bild der ganzen Suspension mit allen darin enthaltenen Teilchen“, betont Krishnan. „Die Ladung der Teilchen spielt darin eine große Rolle“, sagt die Zürcher Wissenschaftlerin.

Ein Beispiel ist die Herstellung von Medikamenten, die über „Drug-Delivery-Systeme“ über einen längeren Zeitraum hinweg gezielt und genau dosiert verabreicht werden sollen. Dabei fungieren Nano-Partikel als „Pakete“, die die Arzneien dorthin bringen, wo sie wirken sollen. Entscheidend aber, dass sie Gewebe und Zellmembranen im Körper ungehindert passieren und damit überhaupt erst wirken können, ist sehr oft ihre elektrostatische Ladung. „Deswegen ist es so wichtig, ihre Ladung messen zu können. Bislang wurden meist nur ungenaue Resultate erzeugt,“ so die Forscherin.

„Mit der neuen Methode können wir sogar in Echtzeit messen, wenn ein einzelnes Teilchen seine Ladung ändert“, ergänzt Krishnan. „Das ist besonders für die Grundlagenforschung spannend und noch nie zuvor möglich gewesen.“ Denn Ladungsänderungen spielen bei allen Reaktionen im Körper eine Rolle, sei es von Proteinen, großen Molekülen wie die DNA-Doppelhelix, in der die Erbanlagen codiert sind, oder den Zellorganellen. „Wir untersuchen, wie die Materie im millionstel Millimeterbereich funktioniert.“

UZH / OD

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Animation des Querschnitts durch zwei Glasplatten in Chip-Größe, in dem ein Nano-Partikelchen in einem Potentialtopf gefangen ist (Krishnan Lab, UZH)

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