Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf dem Weg zur "künstlichen Nase": Wenn Nanoforscher andere Saiten aufziehen

23.04.2009
Selbst einzelne Moleküle müssen in chemischen Analysen aufgespürt werden. Für diesen hochempfindlichen Nachweis wurden in der Nanoforschung winzige Saiten entwickelt, die charakteristische Schwingungen zeigen.

Dockt das gesuchte Molekül an eine der Saiten an, wird diese schwerer und schwingt messbar langsamer. Bislang fehlte es allerdings an der praktischen Umsetzung solcher "Nano-Elektromechanischer Systeme", kurz NEMS.

LMU-Physikern gelang in diesem Bereich jetzt ein Durchbruch: Sie konstruierten aus einem nichtleitenden Material Nanosaiten, die elektrisch einzeln angeregt werden und zu Tausenden auf einem Chip gefertigt werden können.

So ließe sich etwa eine hochempfindliche "künstliche Nase" realisieren, um unterschiedliche Moleküle - etwa Schadstoffe - einzeln nachzuweisen. Die neuartigen NEMS könnten aber auch als winzige Taktgeber in Handy-Uhren und in einer Vielzahl von anderen Anwendungen zum Einsatz kommen. (Nature, 22. April 2009)

Der sichere, schnelle und kostengünstige Nachweis einzelner Moleküle ist für die chemische Analytik von großer Bedeutung. Ein mögliches Verfahren stammt aus der Nanotechnologie: Das sind sogenannte "Nano-Elektromechanische Systeme" oder NEMS. Hier kommen Saiten mit Durchmessern von 100 Nanometern- entsprechend einem zehntausendstel Millimeter - zum Einsatz, die zu charakteristischen Schwingungen angeregt werden können. Werden diese Saiten entsprechend chemisch beschichtet, docken Moleküle dort an - und zwar jeweils nur eine Art von Molekül je Saite.

Durch die Verbindung mit dem Molekül wird die Saite etwas schwerer, so dass sie etwas langsamer schwingt. "Eine Messung der Schwingungsperiode ermöglicht also, chemische Substanzen molekülgenau nachzuweisen", erklärt Quirin Unterreithmeier, der Erstautor der Studie. "Im Idealfall sitzen auf einem Chip von der Größe eines Fingernagels dann mehrere Tausend Saiten, die jeweils hochspezifisch ein bestimmtes Molekül erkennen - damit ließe sich etwa eine äußerst empfindliche 'künstliche Nase' bauen."

Bislang aber scheiterte die Umsetzung solcher Systeme noch an technischen Schwierigkeiten, unter anderem an der Anregung und Messung der Schwingungen. Zwar können die Nanosaiten über eine magnetomechanische, piezoelektrische oder auch elektrothermische Anregung zum Schwingen gebracht werden. Dies setzt aber voraus, dass die Nanosaiten aus Metall bestehen oder zumindest metallisch beschichtet sind, was wiederum die Schwingungen stark dämpft und eine empfindliche Messung verhindert. Einzelne Moleküle können damit kaum detektiert werden. Darüber hinaus wird das Unterscheiden der Signale verschiedener schwingender Saiten erschwert.

Das neu entwickelte Verfahren umgeht nun diese Schwierigkeiten. Quirin Unterreithmeier, Dr. Eva Weig und Professor Jörg Kotthaus vom Center for NanoScience (CeNS) und der Fakultät für Physik der LMU und dem Exzellenzcluster "Nanosystems Initiative Munich (NIM)" konstruierten ein NEMS, in dem Nanosaiten einzeln mittels dielektrischer Wechselwirkung angeregt werden - welche etwa auch für "elektrisch aufgeladene" Haare im Winter sorgt. Entsprechend diesem physikalischen Prinzip werden die Nanosaiten aus dem elektrisch nicht leitenden Material Silizium-Nitrid in einem elektrischen Feld zur Schwingung angeregt, und diese Schwingung dann gemessen.

Das zur Anregung erforderliche elektrische Wechselfeld wurde zwischen zwei Goldelektroden nahe der Saite erzeugt. Die Messung der Schwingung leisteten zwei weitere Elektroden. "Diesen Aufbau haben wir mittels Ätzverfahren hergestellt", berichtet Weig. "Er ließe sich aber ohne großen Aufwand in zehntausendfacher Wiederholung auf einem Chip realisieren. Durch eine geeignete Verschaltung muss nur die Adressierbarkeit der einzelnen Saiten gewährleistet sein." Alles in allem sollte dies eine technisch leichte Übung sein - und einen Durchbruch in der chemischen Analytik erlauben. Doch auch jenseits der "künstlichen Nase" sind Anwendungen denkbar. So könnten die Nanosaiten unter anderem in Handy-Uhren als Taktgeber zum Einsatz kommen. Auch als ultrascharfer Filter für elektrische Signale in der Messtechnik ließen sich die neuartigen Resonatoren verwenden.

Die Studie 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. (NIM/suwe)

Publikation:
"Universal transduction scheme for nanomechanical systems based on dielectric forces",
Quirin P. Unterreithmeier, Eva M. Weig, Jörg P. Kotthaus
Nature, 23 April 2009
doi:10.1038/nature07932
Ansprechpartner:
Professor Jörg P. Kotthaus
Fakultät für Physik der LMU
Tel.: 089 / 2180 - 3737
E-Mail: kotthaus@cens.de
Dr. Peter Sonntag
Nanosystems Initiative Munich (NIM)
Tel.: 089 / 2180 - 5091
E-Mail: peter.sonntag@lmu.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/
http://www.nano-initiative-munich.de/press/press-material

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut
20.10.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Aus der Moosfabrik
20.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise