Nachweis und Manipulation einzelner DNA-Moleküle
Die Erfassung von Änderungen der Transmissionseigenschaften von Licht (elektromagnetischer Strahlung) bildet die Grundlage optischer Werkzeuge bei einfachen Lichtmikroskopen bis hin zu komplizierten nanooptischen Bauelementen. Die Wissenschaftler sind nun dabei, ein Lab-on-a-Chip-System zu entwickeln, das Veränderungen der Transmission misst, die ein einzelnes DNA-Molekül induziert. Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts PLASBIORES (Plasmonic Biosensors based on nanometric optical Resonators integrated with point-light-sources for label free detection of DNA) war die Fertigung integrierter Bauelementen mit Wafer-Technologien. Auf diese Weise konnte ein Nanokanal generiert werden, der mit einer Plasmonen-Nanoantenne auf einem Mikrofluidikbauelement ausgestattet ist und die Messtechnik enorm vereinfacht. Mittels direkter Imprint-Lithografie können in einem Arbeitsschritt ohne größeren Arbeitsaufwand multifunktionale, mehrdimensionale nanofluidische Kanäle erzeugt werden, die keine Ausrichtung mehr erfordern. Die Forscher entwickelten auch eine Technologie zur Integration plasmonischer Elemente, insbesondere plasmonischer Nanoantennen mit goldgefüllten Nanodreiecken. Die Plasmonen-Nanoantennen zeichnen sich durch perfekte Selbstausrichtung mit den Nanokanälen aus. Weiterhin wurden vier Löcher in die Enden der Mikrokanäle gebohrt, sodass Flüssigkeiten eindringen können. Das Polymerbauelement wurde dann für die Charakterisierung auf ein Deckglas aufgebracht. Plasmonen-Nanoantennen stoßen derzeit auf enormes Interesse. Sie funktionieren ähnlich wie Radioantennen, nur mit sehr viel höherer Frequenz. Licht, das mit metallischen Nanopartikeln interagiert (in diesem Fall Gold), induziert kollektive Schwingungen der Leitungselektronen. Deren Effekte, u.a. die Bildung leistungsfähiger Hot Spots auf der Nanopartikeloberfläche, lassen sich wiederum für die Detektion einzelner DNA-Moleküle nutzen. Die Forscher testeten Nanokanäle und Nanoantennen separat. Die Nanoantennen lieferten verglichen mit einer unstrukturierten Goldoberfläche deutlich stärkere Signale. Einzelne DNA-Moleküle wurden optimal in die Nanokanäle integriert und mittels Elektrophorese auf eine Länge von 89 % der prognostizierten Länge gestreckt, was bislang bei Einzelmolekülen in Nanokanälen kaum erreicht worden ist. PLASBIORES lieferte viel versprechende Ergebnisse, da das einzigartige tragbare System für medizinische Zwecke vor allem für die patientennahe Diagnostik von Bedeutung ist. Damit lassen sich auch Umweltmonitoring und Messungen in vielen anderen biomolekularen Bereichen vereinfachen.
Schlüsselbegriffe
Einzelmolekülerkennung, DNA-Molekül, Nanokanal, PLASBIORES, Plasmonen Nanoantenne, Nanodreiecke, Elektrophorese
