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Veröffentlicht: 01.10.2012, 06:00 Uhr

Sensorik Nanowaage aus Silizium

Mit einem winzigen Resonator lässt sich die Masse von Proteinen präzise messen. Das filigrane Bauteil könnte daher die Biomedizin revolutionieren.

von Rainer Scharf
© Caltech Mikromechanischer Oszillator als Nanowaage

Ein nanomechanischer Resonator, der einzelne Moleküle wiegen kann, ist am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena entwickelt worden. Der Resonator besteht aus einem etwa acht Mikrometer langen und einem halben Mikrometer breiten Balken aus Silizium, der an seinen Enden eingespannt ist. Mit hochfrequenten elektrischen Feldern wurde der Balken zu mechanischen Schwingungen angeregt, die mit Hilfe von winzigen Piezokristallen abgetastet wurden. Dabei entstanden elektrische Schwingungen, die elektronisch verstärkt und analysiert wurden. Bei bestimmten Anregungsfrequenzen trat Resonanz auf, und die Schwingungen waren besonders stark, wie Michael Roukes und seine Kollegen beobachteten. Mit einer Resonanzfrequenz von 44,6 Megahertz schwang die Mitte des Balkens auf und nieder, während bei 105 Megahertz der Balken in horizontaler Richtung S-förmige Oszillationen ausführte.

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Proteine auf dem Federbalken

Wenn sich Nanopartikel oder Moleküle auf den Balken setzten, nahm seine Masse zu, und er oszillierte langsamer. Jedes Mal, wenn sich ein weiteres Teilchen anheftete, verringerten sich gleichzeitig beide beobachteten Resonanzfrequenzen sprunghaft. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature Nanotechnology“ (Bd. 7, S. 602) berichten, konnten sie auf diese Weise die Masse jedes einzelnen, neu hinzugekommenen Teilchens mit hoher Genauigkeit bestimmen. So konnten sie einzelne Moleküle des Proteins Immunglobulin M (IgM) wiegen und anhand der gemessenen Massen verschiedene Typen des IgM voneinander unterscheiden. Dies eröffnet interessante biomedizinische Anwendungen. So könnte man mit zukünftigen Geräten, die viele dieser mechanischen Resonatoren enthalten, das Immunsystem von Patienten überwachen und vielleicht sogar immunologische Krankheiten diagnostizieren.

Neue Ära der Massenspektrometrie

Weil die Resonatoren mit Verfahren hergestellt wurden, die auch bei der Produktion von Computerchips eingesetzt werden, ließen sich zukünftig Analysechips mit Zehntausenden parallel arbeitenden Resonatoren problemlos fertigen. Roukes und seine Kollegen glauben, dass ihre Nanowaagen eine neue Generation von Massenspektrometern ermöglichen, mit denen man schon anhand von wenigen Molekülen die Identität einer Substanz bestimmen kann. 

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