Neues Verfahren zum Nachweis einzelner Moleküle entwickelt

25. Dezember 2013, 21:01
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Deutsche Forscher konnten Raman-Spektroskopie durch den Einsatz von Gold-Nanopartikeln erheblich verstärken

Dresden-Rossendorf - In der medizinischen Diagnostik spielt die Identifizierung von Substanzen im menschlichen Körper eine wichtige Rolle - oft lassen sich Entstehung bzw. Verlauf von Krankheiten dadurch frühzeitig erkennen. Um die oft winzigen Mengen verdächtiger Moleküle nachweisen zu können, braucht es extrem genaue Verfahren.

Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben nun gemeinsam mit Kollegen aus Potsdam und Berlin eine Nachweismethode entwickelt, mit der sie eine Gesamtzahl von gerade einmal 17 Farbstoff-Molekülen nachgewiesen haben. Die Wissenschafter hoffen, mit der hochempfindliche Methode künftig winzige Blutmengen auf drohende Erkrankungen untersuchen zu können. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im Fachmagazin "Physical Chemistry Letters".

"Goldene Falle" für Moleküle

Die hohe Exaktheit der Methode beruht auf einer maßgeschneiderten Umgebung für die nachzuweisende Substanz. Die Forscher konstruierten eine  "goldene Falle", die Moleküle einfangen und damit deren Nachweis ermöglicht soll. Zwei winzige Goldpartikeln wurden in genau definiertem Abstand zueinander auf einer Unterlage angeordnet. In der Lücke dazwischen verankerten die Wissenschaftler Moleküle eines als TAMRA bezeichneten Farbstoffs. Dann bestrahlten sie die Probe mit Laserlicht, um ein Raman-Spektrum zu erhalten. Bei diesem optischen Verfahren wird das Laserlicht an dem Molekül gestreut und man erhält ein für die betreffende Substanz spezifisches Spektrum.

Normalerweise ist die Raman-Spektroskopie ein wenig sensitives Verfahren, man benötigt eine große Anzahl an Molekülen für einen Nachweis. Befinden sich die Moleküle jedoch in der Nähe von metallischen Oberflächen, tritt ein erstaunlicher Effekt auf: Das Raman-Signal wird extrem verstärkt.

Diesen Effekt konnten die Wissenschafter bei ihrer Probe beobachten. "Zwischen den Goldpartikeln besteht ein elektrisches Feld. Wählt man die richtigen Abmessungen, kommt es zu einer Feldverstärkung zwischen den Teilchen und wir erhalten sogenannte hot spots", erklärt HZDR-Forscher Adrian Keller. Das elektrische Feld rege dann zusammen mit dem einfallenden Laserlicht die Moleküle an. So komme es zur verstärkten Raman-Streuung. Werden also Moleküle in diesen hot spots gebunden, kann man ihre charakteristischen Signale im Spektrum besonders gut erkennen, so Keller.

DNA-Origami

Für die Konstruktion ihrer "goldenen Falle" wählten die Wissenschaftler die Erbsubstanz DNA. Denn die fadenförmigen Stränge lassen sich mit Hilfe vieler kurzer DNA-Abschnitte zu beliebig dimensionierten Objekten falten. Diese auch als DNA-Origami bezeichnete Technik beruht auf der Bindung zwischen komplementären Basen – die DNA-Stränge haken sich wie die beiden Seiten eines Reißverschlusses ineinander. Auf diese Weise konnten die Forscher Dreiecke aus DNA erschaffen, deren Kantenlänge etwa 100 Nanometer beträgt. Aus einem solchen Dreieck ragen zwei exakt platzierte Anker hervor, an denen zwei Gold-Nanopartikeln in genau definiertem Abstand gebunden werden.

In einem ersten Versuch überzogen die Forscher die winzigen Goldpartikeln mit einer Art DNA-Pelz, der auch Farbstoff-Moleküle enthielt. Dann fertigten sie ein Raman-Spektrum von der Probe an und erkannten, dass die TAMRA-Moleküle sehr gut nachweisbar waren. Da der Pelz auf den Gold-Nanopartikeln sehr dicht ist, vermuten Keller und seine Kollegen, dass 100 – 1000 Moleküle TAMRA zu dem erhaltenen Signal beitragen. In Kontrollversuchen bestrahlten die Forscher die pelzigen Goldteilchen mit Laserlicht, ohne sie auf dem DNA-Dreieck anzuordnen. Hier zeigte sich im Spektrum nur ein sehr schwaches Signal.

Einzelnes Farbstoff-Molekül nachweisbar

Doch die Methode ist noch weitaus empfindlicher. In weiteren Experimenten brachten die Forscher ein Paar unüberzogener Goldpartikeln auf einem DNA-Dreieck auf und verknüpften drei einzelne Farbstoff-Moleküle über zusätzliche an der DNA lokalisierte Anker direkt innerhalb des hot spots. Auch in diesen Raman-Spektren sei das Signal des Farbstoffs gut zu erkennen, berichten sie. Als optimale Größe der Goldpartikel ermittelten die Forscher 25 Nanometer - dabei sei der Verstärkungseffekt besonders groß.

Schließlich platzierten die Wissenschafgter nur ein einziges Farbstoff-Molekül in die Lücke zwischen den beiden Gold-Teilchen. Selbst diese verschwindend winzige Menge an TAMRA ließ sich noch nachweisen. Die Oberfläche, die mit dem Laserstrahl erfasst wurde, enthielt 17 DNA-Dreiecke. Das Signal stammt also von 17 einzelnen Molekülen.

"Wir haben gezeigt, dass man mit der Methode im Prinzip Einzelmoleküle detektieren kann", sagt Keller. Nun wollen die Forscher den Aufbau weiter variieren. In der Lücke zwischen den Gold-Partikeln soll beispielsweise ein Anker fixiert werden, der ein nachzuweisendes Molekül – beispielsweise ein Protein – binden kann. Jegliche Art von Biomolekülen könnte auf diese Weise analysiert werden, ob DNA, RNA oder Eiweißstoffe. Und weil jede Molekülsorte charakteristische Raman-Signale erzeugt, könnte man mit entsprechend präparierten DNA-Dreiecken sogar auf mehrere Substanzen gleichzeitig testen, so Keller. In Zukunft könnte das Nachweis-Prinzip auch auf einem Chip integriert werden und in der medizinischen Diagnostik Verwendung finden, hoffen die Forscher. (red, derStandard.at, 25.12.2013)

 

  • DNA-Dreiecke im Rasterkraftmikroskop: Die hell leuchtenden Punkte sind paarweise angeordnete Goldpartikel. Zwischen ihnen lassen sich einzelne Moleküle einfangen und nachweisen.
    foto: hzdr

    DNA-Dreiecke im Rasterkraftmikroskop: Die hell leuchtenden Punkte sind paarweise angeordnete Goldpartikel. Zwischen ihnen lassen sich einzelne Moleküle einfangen und nachweisen.

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