Tragbarer DNA-Sensor mit Nanokanal

Die Erfassung von Änderungen in den Transmissionseigenschaften von Licht (elektromagnetischer Strahlung) bildet die Grundlage optischer Werkzeuge, begonnen bei einfachen Lichtmikroskopen bis hin zu komplizierten nanooptischen Bauelementen. Die Wissenschaftler sind nun auf dem besten Wege zur Entwicklung eines Lab-on-a-Chip-Westentaschenlabors, in dem die Veränderungen in der Transmission ausgenutzt werden, die durch das Vorhandensein eines einzelnen DNA-Moleküls ausgelöst werden.

Mit den EU-Finanzhilfen des PLASBIORES-Projekts bauen die Forscher auf ihre robuste Technologie zur Fertigung von integrierten Bauelementen auf Grundlage von Prozessen im Waferbereich auf. Das wird sie zur Fertigung eines Nanokanals hinführen, der mit einer Plasmonen-Nanoantenne auf einem Mikrofluidikbauelement ausgestattet ist, um eine revolutionäre neue Art des Messens zu realisieren.

Das Team setzte die direkte Imprint-Lithografie ein und stellte multifunktionale, mehrdimensionale nanofluidische Kanäle in einem einzigen Schritt und innerhalb weniger Minuten her, ohne dass eine Ausrichtung erforderlich war. Die Forscher konnten außerdem die Technologie entwickeln, mit der plasmonische Elemente, insbesondere aus goldgefüllten Nanodreiecken bestehende plasmonische Nanoantennen, gleichermaßen in perfekter Selbstjustierung mit den Nanokanälen zu integrieren sind. Ein Fluidzugang ist über das Bohren von vier Löchern an den Enden der Mikrokanäle möglich. Das Polymerbauelement wird dann zwecks Charakterisierung an ein Deckglas gefügt.

Plasmonen-Nanoantennen erregen enorm viel Interesse. Sie funktionieren ähnlich wie Radioantennen, aber bei höheren Frequenzen. Tritt Licht mit Metallnanoteilchen, in diesem Fall Gold, in Wechselwirkungen, werden kollektive Schwingungen der Leitungselektronen angeregt. Diese wiederum können nützliche Effekte auslösen. Die PLASBIORES-Forscher nutzen die Bildung von Hot Spots hoher Intensität an der Nanopartikeloberfläche aus, um einzelne DNA-Moleküle zu detektieren.

Die Forscher erprobten sowohl die Nanokanäle als auch die Nanoantennen getrennt. Die Nanoantennen stellten im Vergleich zu einer nichtstrukturierten Goldoberfläche eine erstaunliche Signalverbesserung in der Größenordnung von 104 bereit. Einzelne DNA-Moleküle wurden mit Erfolg in die Nanokanäle gebracht und mittels Elektrophorese auf eine Länge von 89 % der vorhergesagten Länge ausgedehnt. Hierbei handelt es sich um einen der größten Streckfaktoren, der für einzelne Moleküle in Nanokanälen in der Literatur zu finden ist.

Die vorläufigen Resultate sind äußerst vielversprechend. Dieses einzigartige und tragbare Bauelement wird großen Einfluss auf die Medizin, insbesondere bei Anwendungen zur Vor-Ort-Diagnose, ausüben. Es wird auch eine bessere Umweltüberwachung ermöglichen und auf vielen anderen Gebieten von Nutzen sein, in denen biologische Moleküle von Interesse sind.