Charles Lieber und Kollegen an der Harvard University in Massachusetts ist etwas gelungen, was konventionelle Methoden zur intrazellulären Spannungsmessung grob und unbeholfen erscheinen lässt. Ihr Bauteil, dessen Sondenspitze nur etwa 50 Nanometer Durchmesser hat, misst sehr exakt den Verlauf von Aktionspotenzialen in Zellen, ohne die Membran zu schädigen. Eine weitere Verkleinerung der Sondenspitze würde Messungen in bisher unzugänglichen Nervenverästelungen ermöglichen.

Die Wissenschaftler kombinierten einen winzigen Feldeffekttransistor aus Silizium mit einem isolierten Siliziumdioxidröhrchen. Sobald das Nanoröhrchen Kontakt mit der Zellflüssigkeit hat und dort einer Potenzialänderung ausgesetzt wird, ändert sich die Leitfähigkeit des Transistors.

Kultivierte Herzzellen von Hühnern dienten den Forschern als Untersuchungsobjekte. Um die Zellmembran leicht zu durchdringen, wurde die Sonde mit Phospholipiden beschichtet. Die Spitze des Röhrchens brauchte nur in die Nähe der Zelle zu kommen und schon stellte sich spontan der Kontakt zur Zellflüssigkeit ein. Die Spannungssonde erwies sich als robust und mehrfach verwendbar, sie konnte sogar – im Gegensatz zu einer Mikropipette, die für die Patch-Clamp-Technik nötig ist – mehrfach an derselben Stelle in die Zelle eindringen, ohne diese zu beschädigen.

Die Herstellung des Nanoröhrchens erfolgte in mehreren Schritten. Zunächst ließen die Forscher einen Germaniumnanodraht senkrecht zum Siliziumtransistor aufwachsen. Anschließend wurde der Draht mit Siliziumdioxid ummantelt und das Germanium wieder entfernt. Dabei musste sichergestellt werden, dass das Innere des so entstandenen Nanoröhrchens in Verbindung mit dem Messbereich des Transistors stand.

Die guten Messeigenschaften ihres Bauteils sollten auch bei weiterer Verkleinerung des Röhrchendurchmessers auf drei Nanometer erhalten bleiben, berechneten die Wissenschaftler. Mit einer derartigen minimalinvasiven Sonde könnten auch kleinste zelluläre Strukturen wie zum Beispiel Dendriten und dendritische Dornfortsätze vermessen werden, was mit konventionellen Verfahren schwierig ist.

Die Forscher hatten zuvor bereits eine Anordnung vorgestellt, bei der ein geknickter Nanodraht als Sonde fungierte. Die jetzt präsentierte Version erlaube nun aber, dass mehrere gleichzeitig arbeitende Sonden nebeneinander ein Netzwerk von Zellen abdecken.