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Das MPI für Dynamik und Selbstorganisation schafft mikroskopische Experimentierumgebeungen, die im Grenzbereich zur quantenmechanischer Physik liegen. Hier beginnt die Physik der Zellen und Bakterien.

Meldung aus dem Bereich: Wissenschaft

Dr. Dieter Porth Die Forschung interessiert sich seit einiger Zeit für die Materialien mit mesoskopischen Eigenschaften.. Solche Materialien sind normalerweise sehr klein und die Quantenmechanik nimmt starken Einfluss auf die Materialeigenschaften. An jeder Zellmembran spielen sich mesoskopische Vorgänge ab.
In der Mitteilung wird zum Beispiel erwähnt, dass Wassertropfen von sehr einheitlicher Größe hergestellt werden konnten. Dies ist wahrscheinlich auf quantenmechanische Einflüsse und die Systemgestaltung zurückzuführen.

Göttingen - x!-- Datum --x01.12.05 (set: 28.12.2005) - Pressemitteilung
MPI für Dynamik und Selbstorganisation [ [Homepage] ]

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[Göttingen - 01.12.05 - Pressemitteilung] [Quelle: Website]

Der Spumoprozessor: ein neues Konzept in der Mikrofluidik
Zusammenfassung
Es wird ein neuartiges Konzept für fluide Mikroprozessoren vorgestellt, das es erlaubt, große Mengen (bio-) chemischer Reaktionen quasi parallel und in komplexer Folge auf einem Mikrochip ablaufen zu lassen. Es beruht auf der gezielten Nutzung der Wechselwirkung der Geometrie geätzter Mikrokanalstrukturen mit der schaumartigen inneren Topologie trockener Emulsionen.
Abstract ...     

In der Biotechnologie ist es oftmals notwendig, eine sehr große Zahl von Reaktionen mit extrem geringen Materialmengen durchzuführen - man denke nur an das ‚Human Genome Project', zu dessen Durchführung hunderte von Pipettier-Robotern jahrelang durcharbeiten mussten, um die erforderliche enorme Zahl der Analyseschritte durchzuführen. Hinzu kommt die begrenzte Verfügbarkeit der Materialien: biochemische Ausgangsstoffe müssen oft mittels Chromatographieverfahren gewonnen werden: Das für die Analyse oder Weiterverarbeitung zur Verfügung stehende Material besteht dann also nur aus einem ‚Farbstrich' in einem Chromatogramm!
Um diesen Anforderungen zu begegnen, hat man sich auf die Lithographieverfahren besonnen, die für die Mikroelektronik entwickelt worden sind, um nun auch chemische Labors auf kleinstem Raum     unterzubringen: Das Schlagwort lautet ‚Lab-on-a-chip' - es gibt mittlerweile auch eine eigene Zeitschrift dieses Namens. In diesen sog. mikrofluidischen Chips sind komplexe Systeme aus feinen Kanälen untergebracht, durch die die Substanzen gepumpt werden. Will man nun beispielsweise zwei Stoffe zur Reaktion bringen, so kann man die Reaktanden an Kreuzungspunkten mehrerer Kanäle zusammenbringen    .
In Abbildung 1 ist als Beispiel gezeigt, wie eine saure Lösung von Collagen (aus dem z.B. Leder hauptsächlich besteht) an einer Kreuzung mit einer alkalischen Lösung zusammengebracht wird, die im Bild aus den Kanälen oben und unten einströmt [1]. Die Kanalbreite beträgt 100 Mikrometer. Alle drei Flüssigkeiten strömen nach rechts aus. Als Konsequenz wird der einströmende Strahl, der das Collagen führt, in der Mitte zusammengedrückt    . Man sieht nun im Bild, wie an den Rändern dieses mittleren Strahles, dort nämlich, wo der pH-Wert der Lösung zuerst ansteigt, das Collagen in eine Faserstruktur kondensiert. Dies wird als helle Färbung sichtbar (optische Mikroskopie unter gekreuzten Polarisatoren). Man kann also genau verfolgen, wie geringste Stoffmengen sich (hier durch Diffusion) mischen und miteinander reagieren.


Wenn man wieder an konventionelle Chemielabors denkt, repräsentieren die Kanäle die Glasrohre und Gummischläuche. Wie aber soll man Gefäße wie Reagenzgläser, Erlenmeyerkolben und Pipetten mikrofluidisch umsetzen? In der Tat hat sich die Mikrofluidik in den letzten Jahren intensiv in Richtung Kompartimentierung entwickelt. Man schließt das Reagens in einzelne Tröpfchen (in der Biochemie meist Wasser) ein, die man in einer ölartigen (also mit Wasser nicht mischbaren) Flüssigkeit durch den Mikrochip pumpt. Da das Material nun in einzelnen Portionen kommt, ähnlich wie die Informations-Bits im Computer, spricht man hierbei bereits von ‚digitaler Mikrofluidik', obwohl die Analogie hier noch etwas gewagt erscheint.
In der Abteilung ‚Dynamik komplexer Fluide' (S. Herminghaus) werden u.a. neuartige Konzepte erarbeitet, um in dieser Richtung weiter voranzukommen - und etwas zu schaffen, das den Titel ‚digital' zurecht trägt. Man stelle sich z.B. vor, das Öl, das die wässrigen ‚Kompartimente' (Wassertropfen) trennt, ist nur in relativ geringer Menge vorhanden. Dann liegen die Tropfen dicht an dicht und sind nur von dünnen Lamellen getrennt, ähnlich wie die Luftblasen in einem Schaum. Wenn die Tröpfchen außerdem alle dieselbe Größe haben, wird sich eine solche Emulsion in einem Kanal, der nur wenige Tropfendurchmesser breit ist, perfekt ordnen. Dies ist in Abbildung 2 beispielhaft gezeigt. Hier liegen zwei Doppelreihen in einem 200 Mikrometer breiten Kanal übereinander. Für Schäume wurde bereits früher beobachtet, dass die Anordnung der Zellen sich in wohl definierter Weise gezielt verändern lässt, wenn man den Schaum durch bestimmte Kanalgeometrien hindurchpumpt [2,3]. Es war vermutet worden, dass dies in ähnlicher Weise auch mit Emulsionen möglich ist, da diese ja dieselbe Struktur besitzen.

In der Tat konnte dies kürzlich für eine ganze Reihe von Kanalgeometrien gezeigt werden [4]. Auch mikroskopisch kleine Wassertropfen, die etwa in der in Abbildung gezeigten Weise angeordnet sind, lassen sich gezielt gegeneinander verschieben, in Nachbarschaft bringen, vertauschen etc.. Hiermit eröffnen sich völlig neue Perspektiven für die Mikrofluidik: Könnte man die enorme Zahl der Substanzen, wie sie etwa in Genomprojekten oder im ‚Drug Screening' benötigt werden, auf tausende von Tropfen verteilen und diese dann nach und nach zueinander in Nachbarschaft bringen und (etwa durch ‚Durchbrennen' der sie trennenden Lamelle) zur Reaktion bringen    ? Auch dies konnte kürzlich, zumindest in Bezug auf die einzelnen hierzu erforderlichen Schritte, am Institut für Dynamik und Selbstorganisation demonstriert werden. Damit stehen die wesentlichen Elemente zur Realisierung eines neuartigen ‚Lab-on-a-chip'-Konzepts zur Verfügung. Dieses Chipkonzept hat den Namen ‚Spumoprozessor' (von lat. spuma = Schaum) bekommen, weil es wesentlich auf der Ausnutzung der schaumartigen Topologie der perfekt geordneten Tropfenstrukturen beruht.

Ein ganz wesentlicher Schritt ist also auch die Herstellung derart ‚monodisperser' (d.h. alle Tröpfchen sind gleich groß) Emulsionen. Hier gelang ein Durchbruch dahingehend, dass die Emulsionen nun gleich im Kanal hergestellt werden können. Dabei ist das Verhältnis der Volumina der wässrigen und der öligen Phase in weiten Bereichen variierbar, bei praktisch perfekter Volumenkonstanz der Tropfen. Eine größere Zahl solcher Tropfen ist in Abbildung 3 zu sehen
Diese Ergebnisse sind sehr viel versprechend v.a. mit Blick auf mögliche Anwendungen in der kombinatorischen Chemie und Biochemie, Materialforschung, Proteomik, Bioinformatik und anderen modernen Technologiezweigen. Die verschiedenen Verfahren zur Realisierung der hier beschriebenen Einzelschritte befinden sich auf dem Wege der Patentierung. Hier wird ein weiteres Mal demonstriert, dass die Verwertung von Forschungsergebnissen in der Max-Planck-Gesellschaft, speziell auch hier am Institut für Dynamik und Selbstorganisation, im Blick gehalten und als wesentliches Ziel unserer Forschung angesehen wird.
Literaturhinweise
[1] Priest, C., St. Herminghaus und R. Seemann
A novel path to monodisperse emulsions in microchannels
in Vorbereitung
[2] Hutzler, St. und D. Weaire
Juggling with bubbles in cylindrical ferrofluid foams
Philosophical Magazine Letters 82 297 - 301 (2002)
[3] Köster, Sarah, Jennie B. Leach, Th. Pfohl and J.V. Wong,
Microaligned Collagen Matrices by Hydrodynamic Focusing: Controlling the Alignment and pH-Induced Self-Assembly of Collagen
in Vorbereitung
[4] Weaire, D. et al.
The fluid dynamics of foams
Journal of Physics: Condensed Matter 15 S65 -S73 (2004)

An einem Kreuzungspunkt (Breite der Kanäle: 100 Mikrometer) strömt eine saure Collagenlösung (von links) mit alkalischer Lösung (von oben und unten) zusammen. Der Ausflusskanal ist rechts.

Eine Emulsion aus lauter gleich großen Wassertröpfchen in sehr wenig Öl, eingebracht in einen mikrofluidischen Kanal (Breite 200 Mikrometer).

Emulsion außerhalb des Kanals. Der mitlere Tropfendurchmesser beträgt 67 +/- 1 Mikrometer.

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Was macht die Meldung wichtig?

Die mesoskopischen Systeme sind in vielerlei Hinsicht auch theoretisch interessant. Es stellt sich beispielsweise die Frage, ob er für die irreversible Thermodynamik Gesetzmäßigkeiten gibt, die mit Grenzflächen-reichen Systemen vielleicht prüfen lässt. Ist der Fluß der freien Energie durch eine Grenzfläche entlang eines Potentialgefälles immer maximal?

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