Chip-Labor auf Eis gelegt

20.04.2009: Das Chemie-Labor der Zukunft passt auf einen Fingernagel. In einem solchen „Lab-on-a-Chip“ lassen sich mit geringem Aufwand kleinste Mengen biologischen Materials untersuchen. Das Verfahren soll die medizinische Diagnostik revolutionieren, etwa bei der Erkennung von Krebserkrankungen und dem Nachweis genetischer Veränderungen. Eine Herausforderung ist dabei immer noch die gezielte Bewegung von Flüssigkeiten auf kleinem Raum. Ein Forscherteam um den LMU-Biophysiker Professor Dieter Braun hat nun ein Verfahren entwickelt, bei dem ein Laserstrahl als treibende Kraft die Tröpfchen durch Eiskanäle pumpt - um künftig auch komplexe Lab-on-a-Chip-Anwendungen durch Licht zu ermöglichen.

Wenn biochemische Labortechniken auf einem kleinen Chip ablaufen können, reduziert dies die erforderliche Menge der oft teuren Chemikalien, die dafür verwendet werden müssen. Zudem aber verbessert sich das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in der Detektion, und viele Reaktionen können parallel analysiert werden. Dennoch konnten sich entsprechende Lab-on-a-Chip-Techniken bislang noch nicht flächendeckend durchsetzen.

Bei den meisten zurzeit verwendeten Systemen muss die zu untersuchende Flüssigkeit durch ein haardünnes Kanalsystem gepumpt werden. Diese Technik läuft allerdings dem Gedanken der Miniaturisierung zuwider, da externe Pumpen und lange Verbindungen und damit auch größere Probenvolumina benötigt werden. Zudem sind die externen Anschlüsse oft komplex und fehleranfällig.

Praktischer erscheint da die Möglichkeit, Materie aus der Ferne mittels Licht zu bewegen. Seit längerem gibt es sogenannte „optische Pinzetten“, die winzige Glaskügelchen mit einem fokussieren Lichtstrahl in Wasser festhalten und bewegen. Es liegt nahe, das Prinzip auch auf Tropfen zu übertragen und somit Flüssigkeiten schnell und hochpräzise per Laserlicht zu bewegen. Dieses Verfahren wird auch von den Wissenschaftlern in der Gruppe von Professor Dieter Braun an der LMU eingesetzt.

Um auf diesem Weg ein Chip-Labor aufbauen zu können, müssen allerdings auch biologische Moleküle im Wasser transportiert werden können. Das Problem dabei: Wird das Wasser direkt mit einem Laserstrahl bewegt, gehen die biologischen Moleküle auf dem Weg durch thermische Bewegungen verloren. Hier haben der Doktorand Franz Weinert und der Bachelorstudent Max Wühr jetzt eine Lösung gefunden: Sie frieren das Wasser ein und schmelzen dann mit einem Laserstrahl winzige Kanäle ins Eis.

Durch den Einsatz kurzer Laser-Impulse wird das Eis tausendmal pro Sekunde aufgeschmolzen und friert danach jeweils wieder zu. Mit dieser Technik können die Wissenschaftler das Wasser mit einer sehr hohen Geschwindigkeit von etwa fünf Zentimetern pro Sekunde fließen lassen. „Wir sind über die hohen Pumpgeschwindigkeiten sehr überrascht und erfreut“, meint Professor Braun dazu.

Die Physik dahinter: Der Dichteunterschied zwischen Wasser und Eis treibt die aufgeschmolzene Wasserblase Stück für Stück weiter. Wird der Transport-Laser ausgeschaltet, verharren die Moleküle im Eis an Ort und Stelle. Neben der hohen Geschwindigkeit hat der schnelle Wechsel zwischen fest und flüssig noch einen großen Vorteil: Das dabei gebildete Eis ist für Biomoleküle ungefährlich, weil es keine Kristalle bilden kann. Dieter Braun blickt in die Zukunft: „Das erlaubt uns nun, auch komplexe Lab-on-a-Chip-Anwendungen durch Licht aufzubauen.“

Die Arbeit entstand im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM), das es sich zum Ziel gesetzt hat, funktionale Nanostrukturen für Anwendungen in der Informationsverarbeitung und den Lebenswissenschaften zu entwickeln, zu erforschen und zur Einsatzreife zu bringen.

Originalveröffentlichung: Franz M. Weinert, Max Wühr, and Dieter Braun; „Light driven microflow in ice“; Applied Physics Letters 2009, 94,113901