Den Augsburger Physikern Peter Hänggi und Gerhard Schmid ist
zusammen mit Kollegen von der Universität Barcelona eine
hochaufgelöste, gegenläufige Partikeltrennung via Entropie
gelungen.
Augsburg/München/BG/KPP - Schnell, einfach zu bedienen und von hoher
Genauigkeit: so sieht das ideale Analysegerät aus. Tatsächlich gibt es
bereits eine Vielzahl an Apparaturen, die kleinste Spuren einer gesuchten
Substanz nachweisen können. Doch in den bestehenden Methoden steckt noch
ein großes Entwicklungspotential. Wie die renommierten Physical Review
Letters (PRL) aktuell berichten, haben der Augsburger NIM-Wissenschaftler Prof.
Dr. Peter Hänggi und sein Mitarbeiter Dr. Gerhard Schmid (beide
Universität Augsburg) gemeinsam mit Prof. Dr. Jose Miguel Rubi von der
Universität Barcelona ein besonders exaktes Trennverfahren für
unterschiedlich große DNA-Fragmente entwickelt. Dabei machten sich die
Wissenschaftler die verschiedenen Entropie-Potentiale für die
Teilchendynamik zunutze. Computersimulationen zeigten, dass die Partikel sich
dadurch in zwei verschiedene Richtungen auftrennen. Zudem ergaben die
Berechnungen, dass das Verfahren eine Reinheit von 99,9 Prozent erreichen kann,
was deutlich über den herkömmlichen Methoden liegt.
Im Mittelpunkt des Verfahrens steht ein Röhrchen mit einem wenige
Mikrometer breiten Durchmesser. Von innen ist es mit einer asymmetrisch
gezackten Struktur versehen, ähnlich einem Sägezahnblatt. Von links
nach rechts gesehen entspricht die Geometrie langsam ansteigenden Rampen, von
deren Spitze es steil nach unten geht (siehe Abbildung
http://idw-online.de/de/image?id=161631). Auf diesem Wechsel basiert die
Trennung von Partikeln unterschiedlicher Größe, die sich in diesem
Szenario zunächst nur durch die Brownsche Molekularbewegung angetrieben in
dem Röhrchen hin- und her bewegen.
Die Kleinen nach links, die Großen nach rechts
Die Physiker setzen die Brownschen Teilchen nun zusätzlich der Wirkung
einer oszillierenden und einer konstanten Kraft aus. Dabei ist die konstante
Kraft jedoch so schwach, dass sie lediglich das Wanderverhalten der kleinen
Partikel nach links unterstützt, die Orientierung der großen Partikel
jedoch de facto nicht beeinflusst. Die kleinen Partikel überwinden somit
auch die steileren Passagen nach links, die sogenannten Entropie-Barrieren,
während die größeren Partikeln lediglich den leichteren Anstieg
nach rechts über die flachere Strecke nehmen können. Auf diese Weise
entwickeln die kleineren Partikel einen Trend nach links, die
größeren Partikel wandern geschlossen nach rechts. Mit diesem
eleganten Zusatz zeigten die Physiker, wie die Trennung deutlich schneller und
eindeutiger vonstatten gehen kann.
Extrem hohe Reinheit
Die neue Methode besticht in erster Linie durch die extrem hohe Reinheit, die
vor allem auf dem Prinzip der gegenläufigen Trennung basiert. Hinzu kommt
die Möglichkeit, dass die Nutzer die Geometrie des Systems ohne
großen Aufwand an verschiedene Partikelgrößen anpassen
können. Auch wenn der Versuchsaufbau vorerst nur für kleine
Probenmengen geeignet ist, so lassen sich problemlos mehrere Röhrenmodule
parallel auf einen Trägerchip aufbringen und beladen. Zudem bewirkt die so
gut wie vollständige Trennung der Partikelmischung, dass keine Probenreste
im System verbleiben und die nächste Analyse sofort und kontinuierlich
starten kann.
Anwendungsperspektiven in Medizin und Technik
"Diese Idee einer Trennung von Teilchen unterschiedlicher Größe auf
der Basis entropischer Kräfte im Zusammenspiel mit Brownscher Bewegung und
externen Kraftfeldern ermöglicht ein neues Szenario, heterogene Mischungen
von Partikeln schnell und mit größter Sensitivität aufreinigen
zu können, erklärt Peter Hänggi. "Dieses neue Prinzip könnte
somit die gängigen Verfahren in der Medizin und in der Technik
verdrängen und eine revolutionäre Phase der Aufbereitung von
heterogenen Substanzen begründen. Auf dem Weg, bis alles einwandfrei
funktioniert, befürchte ich jedoch, müssen noch einige, momentan nicht
vorhersehbare technische Finessen überwunden werden." (Birgit
Gebauer/NIM)
_____________________________________
Bildmaterial zu dieser Pressemitteilung:
http://idw-online.de/de/news460850
_____________________________________
Publikation:
Entropic Splitter for Particle Separation. D. Reguera, A. Luque, P. S. Burada,
G. Schmid, J. M. Rubi, and P. Hänggi. PRL 108, 020604 (2012) -
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i2/e020604
_____________________________________
Kontakt:
Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Peter Hänggi
Lehrstul für Theoretische Physik I
Universität Augsburg
D-86135 Augsburg
Telefon +49(0)821-598-3249
hanggi@physik.uni-augsburg.de
http://www.physik.uni-augsburg.de/theo1/
_____________________________________
Zur Nanosystems Initiative Munich (NIM):
http://www.nano-initiative-munich.de/de
