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Nanotechnik: Nanodrahtsensor wiegt winzige Molekülmengen

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Forscher der Cornell University in Ithaca haben einen mechanischen Biosensor entwickelt, der die Vorteile winziger Resonatoren mit dem günstigen Volumen-Oberfläche-Verhältnis einer Nanodrahtanordnung kombiniert. So können extrem geringe Konzentrationen von Biomolekülen nachgewiesen werden. Anders als schon existierende Nanoresonatoren oder -federwaagen ist der Sensor zudem von einem Laser manipulierbar, berichtet das Team um Amit Lal.

Der Sensor besteht aus einer Si/SiO2-Doppelmembran, auf der viele senkrechte Nanodrähte aufgebracht sind. Die auszuwiegenden Moleküle – zum Beispiel DNA-Stränge in einer Probe – binden auf der Oberfläche des Sensors an passende Rezeptoren – zum Beispiel komplementäre Stränge dieser DNA. Je nach Masse der bindenden Moleküle verändert der Sensor dabei seine Resonanzeigenschaften. Diese Veränderung kann nun durch eine Messung ermittelt werden, bei der ein gepulster Laserstrahl periodisch die Doppelmembran erwärmt. Die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Si und SiO2 führt dabei – wie bei einem Bimetallstreifen – dazu, dass sich die gesamte Membran verformt und zu schwingen beginnt. Stimmt man die Pulsfrequenz des Lasers auf die Membranschwingung ab, kommt es zur Resonanz. Die Resonanzfrequenz, die mit einem Interferometer gemessen wird, hängt dabei linear von der Sensormasse ab, was ein exaktes Wiegen ermöglicht.

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Nanodrahtsensor | Konzentrationsmessung mit dem Nanosensor: Rot dargestellt ist der gepulste Laserstrahl, der die Membran zum Schwingen anregt; blau wird das Interferometer zur Messung der Resonanzfrequenz gezeigt.

Da das Nanodrahtfeld Licht aus einem großen Wellenlängenbereich absorbiert, kann die Wellenlänge des Anregungslasers so gewählt werden, dass die Biomoleküle nicht geschädigt werden. Der Sensor ist mehrfach wiederverwendbar und eine aufwändige elektrische Kontaktierung unnötig, da die Anregung per Laser erfolgt.

49. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 49. KW 2011

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