Der Nanokavitätssensor. Jeder Hohlraum hat einen Durchmesser von nur 240 Nanometern (Milliardstel Metern). Foto mit freundlicher Genehmigung von Philippe Fauchet.

Wissenschaftler haben ein nanoskaliges Gerät entwickelt, mit dem ein Billiardstel eines Gramms biologischer Materie oder etwa die Größe bestimmter Viren nachgewiesen werden kann. In Zukunft kann der Sensor möglicherweise Influenza, schweres akutes respiratorisches Syndrom (SARS), Vogelgrippe und andere Viren erkennen.

Der Sensor wurde von Forschern der University of Rochester in Rochester, New York, entwickelt und in einer kürzlich erschienenen Ausgabe von Optics Letters beschrieben .

Der Sensor ist eine hexagonale Anordnung winziger Hohlräume mit einem Durchmesser von jeweils 240 Nanometern, die mit einem Elektronenstrahl in eine sehr dünne Siliziumplatte geschnitten werden. Es hat eine gesamte Erfassungsfläche von etwa 40 Mikrometern im Quadrat und ist damit einer der kleinsten Sensoren seiner Art.

Wenn ein Laserstrahl in den Kristall gerichtet wird, interagiert er mit dem Kristall, so dass nur ein bestimmter Teil des Lichtspektrums durchgelassen wird. Wenn jedoch ein Partikel in einer der Nanokavitäten gefangen ist, ändert sich das durchgelassene Spektrum geringfügig. Ein Detektor misst das veränderte Spektrum.

"Wenn ein Virus innerhalb eines bestimmten Größenbereichs in einer der Nanokavitäten gefangen wird, überträgt der Sensor ein Lichtspektrum, das sich geringfügig von dem Spektrum unterscheidet, das er überträgt, wenn keine Partikel vorhanden sind", so Philippe Fauchet, Ingenieur an der Universität Rochester Forscher, zu PhysOrg.com . "Wir können dann die beiden Spektren vergleichen, um zu bestimmen, ob das Zielpartikel eingefangen wurde. Dies ist die Grundlage für einen sehr einfachen und dennoch leistungsstarken Biosensor, der von ungeschultem Personal wie beispielsweise medizinischen Erstversorgern verwendet werden kann."

Fauchet und Co-Forscher Mindy Lee beobachteten, wie der Sensor einzelne Latex-Testkugeln mit einer Größe, die mit einer Vielzahl von Viren vergleichbar ist, erfolgreich erkannte. Dazu gehören Influenza A (ungefähr 100 Nanometer Durchmesser) und Hepatitis (50 Nanometer Durchmesser). Mit ein paar Modifikationen sagen Fauchet und Lee, dass das Gerät in der Lage sein wird, von Latex-Sphären zu tatsächlichen Viren überzugehen.

Der Sensor wird als "zweidimensionaler photonischer Kristall" klassifiziert, eine Art Nanostruktur, die bewirkt, dass sich Photonen ähnlich verhalten wie ein Halbleiter, dass sich Elektronen verhalten. Das heißt, nur Photonen mit Frequenzen innerhalb eines bestimmten Bereichs können durch den Kristall übertragen werden, ähnlich wie sich Elektronen nur durch einen Halbleiter bewegen können, wenn sie bestimmte Energien haben.

"Eindimensionale" photonische Kristalle auf Siliziumbasis, die sehr, sehr dünn sind, wurden zum Nachweis von DNA, Proteinen und Bakterien verwendet. Sie funktionieren jedoch nur dann einwandfrei, wenn der Laserstrahl gut kollimiert ist (die Strahlen sind nahezu parallel). Dies erfordert wiederum, dass der Erfassungsbereich relativ groß ist, was nicht der gewünschte Trend ist. Das Gerät von Fauchet und Lee hebt diese Einschränkungen auf.

Zitat: Optics Letters / Vol. 22 / 15. November 2007

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