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Mikrotechnik: Die Guten ins Töpfchen, ...

Längst hat die Wissenschaft die Welt der kleinen Individuen entdeckt. Ob Biologen einzelne Zellen isolieren möchten oder Nanoingenieure ihre Bausteine zusammenfügen wollen - sie alle benötigen das richtige Werkzeug für die filigrane Aufgabe. Eine clevere Technik verspricht lang ersehnte Möglichkeiten.
Optoelektronische PinzetteLaden...
Das Genie liebt ja angeblich das Chaos, aber irgendwann kommt bei jeder Forschung der Punkt, an dem Ordnung gefragt ist. Zwei Wege bieten sich dann an: entweder wie ein Lastenträger die Objekte von A nach B oder C schleppen – oder B und C so attraktiv machen, dass die kunterbunt verteilten Dinge sich selbst auf den Weg in Töpfchen und Kröpfchen machen. Was im Großen funktioniert – denken wir nur an die Versammlung von Kindern um den Eiswagen –, klappt auch im Mikromaßstab ausgezeichnet, haben nun Ming Wu und seine Mitarbeiter an der Universität von Kaliforniem in Berkeley gezeigt.

Statt mit Kindern experimentierten die Forscher mit Styroporkügelchen und biologischen Zellen, und die Aufgabe des Eiswagens übernahmen elektrische Felder in einer ausgeklügelten Apparatur, die demnächst das Arbeiten in Laboratorien auf dem ganzen Globus vereinfachen könnte.

Aufbau der optoelektronischen PinzetteLaden...
Aufbau der optoelektronischen Pinzette | Licht einer Leuchtdiode wird über ein Mikrodisplay in einem veränderlichen Muster reflektiert und fällt auf einen Träger, der mit amorphem Silizium (a-Si:H) beschichtet ist. An den beleuchteten Stellen wird das Silizium leitend. Die Teilchen in der Lösung über dem Silizium reagieren auf die entstehenden elektrischen Felder und wandern auf die hellen Bereiche zu oder von ihnen weg. Nach oben begrenzt ein spezielles Deckglass (ITO Glass) die Selektionskammer.
Sehen Sie auch die Videoaufnahme "Parallele Sortierung mehrerer Styroporkügelchen" unter "Medien".
Wu bezeichnet das Gerät als "optoelektronische Pinzette". Basis ist eine dünne Schicht aus amorphem Silizium, auf der in einer Flüssigkeit die zu sortierenden Teilchen schwimmen, nach oben mit einem Glasplättchen aus Indium-Zinn-Oxid abgedeckt. An Silizium und Deckglas liegt eine elektrische Wechselspannung an, die für ein oszillierendes Feld in der Lösung sorgt. Der entscheidende Kniff für das Ordnungschaffen ist jedoch unter dem Silizium zu finden: Eine einzelne Leuchtdiode wirft ihr Licht auf ein modulierendes Spiegeldisplay, das ein problemlos per Computer veränderbares Muster nach oben reflektiert. Dort, wo Licht auf das Silizium trifft, wird das Material leitend, wohingegen es in den dunklen Bereichen weiterhin isoliert. Das Resultat ist ein komplexes elektrisches Feld, das den Teilchen zeigt, wo es lang geht. Je nach den elektrischen Eigenschaften der Objekte und der umgebenden Flüssigkeit fühlen diese sich dann angezogen wie von einem Eiswagen oder abgestoßen wie von einer Matheklausur.

Mag die Beschreibung des Aufbaus auch kompliziert klingen, im Vergleich zu den konkurrierenden Systemen ist Wus Methode nicht nur einfach, sondern hat noch weitere entscheidende Vorteile. So kann sie große Teilchenmengen gleichzeitig sortieren, aber bei Bedarf auch einzelne Individuen gezielt herausfischen. Dafür benötigt sie nicht einmal die hohen Lichtintensitäten der so genannten optischen Pinzetten, in denen Laserlicht auf kleinste Volumen fokussiert wird und die sich bei Biologen großer Beliebtheit erfreuen. Wus optoelektronische Pinzette genügt anstelle des Lasers eine 100 000fach schwächere Leuchtdiode – selbst empfindliche Zellen dürften sich damit anfreunden können.

Leben und Tod trennenLaden...
Leben und Tod trennen | Eine Mischung aus lebenden und toten Zellen (a) trennt sich im Lichtmuster auf (b und c). Eine Folge von konzentrischen Kreisen zieht lebendige Zellen in ihre Mitte, während tote Zellen (blau gefärbt) auf Grund ihrer anderen elektrischen Eigenschaften nach außen gedrängt werden. Zum Schluss (d) sind die Zellen sauber getrennt.
Sehen Sie auch die Videoaufnahme "Sortiermaschine für lebende Zellen" unter "Medien".
In den bisherigen Experimenten fingen die Wissenschaftler 15 000 Styroporkügelchen mit 4,5 Mikrometern Durchmesser in kleinen Teilchenfallen, verschoben Kügelchen antiparallel zueinander und trennten lebende von toten Zellen. "Wir könnten das Computerprogramm [für das reflektierte Lichtmuster] so entwerfen, dass es Zellen nach Größe, Leuchtkraft, Textur, Fluoreszenz-Markierungen oder irgendeiner anderen sichtbaren Eigenschaft sortiert", sagt Wu.

Das wird eine ganze Reihe von Forschern gerne hören. Denn bislang müssen sie einzelne interessante Objekte mühsam per Hand isolieren. Das neue Gerät könnte diese Arbeit eventuell voll automatisch machen, wenn ein System zur Bilderkennung das gewünschte Teilchen identifizieren kann und dann die Bildung der Lichtmuster entsprechend steuert.

Bis dahin ist aber noch einiges manuell zu erledigen. Denn vor den endgültigen Erfolg hat die Natur den genialen Einfall gesetzt. Und der Sommer den Eiswagen – vorausgesetzt, man kann sich durch die Menge der kleinen Schleckermäuler drängen.

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