IBM-Logo aus DNA-Bausteinen

Rastertunnelmikroskop sortiert Moleküle mit hoher Geschwindigkeit. IBM-Forscher haben eine neue Methode demonstriert, die sehr kleine Molekülmengen mit hoher Geschwindigkeit voneinander trennen kann. Die Technik könnte für medizinische Labortests oder zur Herstellung von elektronischen Schaltkreisen im Nanobereich genutzt werden, so IBM.

3. Mai 2006 um 15:38 Uhr / Jens Ihlenfeld

Die Methode basiert auf dem Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope/AFM), das Untersuchungen sowie Bearbeitungen im Nanobereich ermöglicht. Wird ein elektrisches Feld an der Spitze angelegt, bewegen sich die Moleküle entlang der Oberfläche mit charakteristischen Geschwindigkeiten. Durch ein Modifizieren der Oberfläche der Nadelspitze und Veränderung der Stärke und Dauer des elektrischen Feldes sollen sich letztendlich unterschiedliche Moleküle voneinander in wenigen Millisekunden trennen lassen – mehr als tausendmal so schnell wie bei heutigen Methoden, so IBM.

"Bei unseren ersten Tests setzten wir DNA-Fragmente ein – eins mit 5 Basenpaaren, ein anderes mit 16", sagt H. Kumar Wickramasinghe, IBM Fellow und Mit-Entwickler verschiedener Typen des Mikroskops. Ein elektrisches Feld bewegte diese Moleküle entlang der 11,2 Mikrometer langen Spitze des Mikroskops in nur 5 bzw. 15 Millisekunden: "Wir konnten die Bewegung in einer Menge bis hinunter zu zehn Molekülen herab steuern. Dies zeigt, dass dieser Ansatz nützlich sein könnte für die Analyse kleinster Probemengen, beispielsweise biologischen Materials."

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Anwendungen für ihre Methode sehen die IBM-Forscher in mindestens zwei unterschiedlichen Anwendungsrichtungen: Da es sich um eine stark miniaturisierte Version der Elektrophorese handelt – einer Standardprozedur für die Nutzung elektrischer Felder, um Biomoleküle voneinander zu trennen -, könnte die neue Methode eine große Bandbreite molekularer Analysemethoden und genetischer Anwendungsbereiche beschleunigen – vom genetischen Fingerabdruck bis hin zu Routine-Blutuntersuchungen. Da es mit der Methode auch möglich ist, Moleküle auf einer Oberfläche mit hoher Präzision aufzubringen, könnten sich damit auch molekulare elektronische Schaltkreise erstellen lassen.

Um die Eigenschaften der Technik zu demonstrieren, setzten die Wissenschaftler eine einzelne Mikroskopspitze ein, um ein IBM-8-Streifen-Logo in 59 x 79 Nanometer Größe zu "schreiben". Das Logo ist dabei zusammengesetzt aus 5-Basenpaar-Fragementen einer DNA.

"Unsere neue Methode verhält sich wie ein Tintenstrahldrucker im Vergleich zu einem Füllfederhalter", ergänzt Wickramasinghe weiter. "Zum Beispiel 'schreiben' wir nur auf einer Oberfläche, wenn ein elektrisches Feld anliegt, nicht permanent beim Kontakt mit der Oberfläche. Wir können außerdem die Abgaberate durch die Veränderung der Stärke des elektrischen Felds steuern, und unser neues Verfahren ist weniger empfindlich gegenüber den chemischen Eigenschaften der aufzubringenden Moleküle oder der Auftragungsoberfläche." Die neue Methode wird im Report "Ultrafast molecule sorting and delivery by atomic force microscopy" beschrieben, der am 1. Mai 2006 in der Online-Ausgabe der Applied Physics Letters erschienen ist. IBM untersucht derzeit Möglichkeiten für einen kommerziellen Einsatz dieser Erfindung.