GaNano: Große Ziele mit kleinen Strukturen
von Christopher Domogalla, Karolin Halusa, Constanze Manner und Arne Müller
Während der vor einigen Jahren vorherrschenden BSE-Tierseuche mussten zahlreiche Kühe und Rinder in ganz Europa notgeschlachtet werden. Nur rund 5% der getöteten Tiere waren tatsächlich BSE-infiziert, 95% wurden präventiv getötet. Die bis zu diesem Zeitpunkt entwickelte Analysetechnik war nicht ausreichend, um den bösartigen Erreger schnell und sicher zu identifizieren. Deshalb wurden alle Tiere geschlachtet, die auch nur den kleinsten Anschein einer Infizierung zeigten. Nur durch eine Blutprobenentnahme war es möglich, den Erreger nachzuweisen. Die Analyse einzelner Blutproben dauerte drei bis fünf Tage. Somit waren der Aufwand und die Kosten zu hoch, mehrere tausend Tiere in wenigen Tagen zu untersuchen.
- Abb. 1: Univ. Prof. Dr. rer. nat. habil. Oliver Ambacher mit elektronischen Sensoren im Reinraum
Wissenschaftler der Technischen Universität Ilmenau, speziell die Mitarbeiter des Zentrums für Mikro- und Nanotechnologien (ZMN), haben sich als Ziel gesetzt, die benötigte Zahl an Analysen zum Nachweis von Krankheitserregern in kürzerer Zeit zu schaffen. Sie wollen ein System entwickeln, mit dem organische Substanzen wie zum Beispiel Proteine, Bakterien und Viren in kleinsten Flüssigkeitsmengen wässriger Lösungen identifiziert und analysiert werden können. Dies bedeutet, dass kleinste Mengen an Blut- oder Speichelproben (1 Nanoliter) in sehr kleine Volumen unterteilt werden müssen. Analysevolumen von weniger als 50 Picoliter ermöglichen eine ausreichend hohe Anzahl von Messungen um die gesuchten biologischen Substanzen sicher nachzuweisen und damit eine Krankheit sichtbar werden zu lassen. Hierbei wird das Halbleitermaterial Galliumnitrid (GaN) zur Herstellung von transparenten elektronischen Sensoren sowie optischen Emittern und Detektoren zur Analyse von Nanotröpfchen verwendet (siehe Abb.1). Diesem Problem nahmen sich zwei Fachgebiete der TU-Ilmenau an. Professor Oliver Ambacher und seinem Team ging es darum, wie sie die Expertise der TU-Ilmenau nutzen könnten, um eine Maschine zu bauen, die den Nachweis von den genannten Proteinen bringt. Vorteil dieses Projektes ist die Kombination von empfindlichen Sensoren zur Messung der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Nano- und Picolitertröpfchen mit den Vorzügen der optischen Spektroskopie zum Nachweis von organischen Substanzen innerhalb der Flüssigkeit. Somit können kleinste Mengen organischer Stoffe oder die Prototypen im Test befindlicher Medikamente schnell und kostengünstig nachgewiesen und/oder evaluiert werden.
Bei dem Projekt GaNano handelt es sich um den Versuch, bestimmte Enzyme in sehr kleinen Flüssigkeitsproben nachzuweisen. Dazu muss ein winzig kleiner Tropfen auf einem Sensor platziert werden. Dies gelingt mit Hilfe eines speziellen Dosierkopfes, der ähnlich einem Inkjet-Druckkopf, Nanolitertröpfchen mit einem Durchmesser von 55 Mikrometern spritzen kann (siehe Abb.2).
- Abb. 2: Dosiersystem für Nanolitertröpfchen
Für die optische Analyse wird ein Lichtstrahl durch eine flüssige Probe geschickt. In der Flüssigkeit werden bestimmte Wellenlängen des Lichtes absorbiert. Durch die Messung des aus der Probe austretenden Lichts kann man so Rückschlüsse auf die enthaltenen Enzyme ziehen.
Bei der elektronischen Analyse werden Sensoren genutzt, die sehr empfindlich auf Spannungsänderungen reagieren (siehe Abb.3). Der Sensor besteht aus einem Saphir, der mit einer Galliumnitridschicht versehen wird. Das durchsichtige Halbleitermaterial Galliumnitrid ist eine Kombination aus Gallium und Stickstoff. Auf das Galliumnitrid wird eine Schicht Aluminiumnitrid aufgetragen. Das Aluminiumnitrid stellt einen starken Dipol dar und zieht durch seine Eigenschaft die Elektronen des Galliumnitrids an sich heran. Somit entsteht zwischen dem Galliumnitrid und dem Aluminiumnitrid eine Elektronenschicht, ein so genanntes zweidimensionales Elektronengas (2DEG). Durch zwei metallische Kontakte auf dem Galliumnitrid und eine angelegte Spannung kann zwischen den Schichten ein messbarer Strom fließen.
- Abb. 3: Apparatur zur Messung des Stromflusses bei der elektronischen Analyse
Bringt man jetzt einen Flüssigkeitstropfen auf den Sensor auf, so können in ihr enthaltene Ionen oder Dipole die Elektronen je nach Ausrichtung entweder anziehen oder abstoßen. Werden Elektronen angezogen, nimmt der Strom zu; werden sie weggestoßen, entsteht eine Lücke im Elektronengas und es kann kein Strom mehr fließen.
Mit diesen Eigenschaften des Sensors ist es möglich, pH-Wert Messungen durchzuführen. Dafür muss vorher sichergestellt werden, dass die Ionen in der Flüssigkeit immer in gleicher Ausrichtung an die oberste Schicht andocken. Um beispielsweise H3O+ oder OH- Ionen in einer Flüssigkeit nachzuweisen, trägt man auf die Aluminiumnitridschicht noch eine Schicht Galliumnitrid auf (siehe Abb.4). Die Galliumnitridoberfläche wird an der Luft mit Sauerstoff abgesättigt. Dadurch docken die H3O+ und OH- Ionen immer mit ihren Wasserstoffatomen an den Sauerstoff an und richten sich dadurch gleich aus. Je mehr Ionen sich in der Flüssigkeit befinden, umso mehr Elektronen werden abgestoßen und so geringer ist der Strom, der von einem Metallkontakt zum nächsten fließt. Da der Sensor sehr empfindlich ist, kann man anhand der fehlenden Elektronen im Elektronengas die Anzahl der in der Flüssigkeit befindlichen Ionen bestimmen.
- Abb. 4: Aufbau des GaN-Sensors
Mit diesem Verfahren lassen sich Enzyme aufspüren, um zum Beispiel Viren, Bakterien oder Krankheiten zu erkennen. So kann das Enzym Lipase mit Hilfe des Sensors in einer winzigen Blutprobe ausfindig gemacht werden. Da Lipase nur bei einer Entzündung der Bauchspeicheldrüse im Blut vorzufinden ist, wird so das Krankheitsbild schnell erkannt. Des Weiteren können Bakterien durch ihren Stoffwechsel und der damit verbundenen Änderung der Ionen in einer Probe effizient nachgewiesen werden.
An GaNano arbeiten aktuell das Zentrum für Innovationskompetenz und das Zentrum für Mikro- und Nanotechnolgien (ZMN) zusammen mit zehn weiteren Partnern. Darunter sind die EADS München, Analytik Jena, eine kleine Firma in Polen, eine spanische Universität und die griechische Universität auf Kreta. Insgesamt sind 45 Personen an diesem Projekt beteiligt.
Wie die meisten Forschungsprojekte, die sich über mehrere Jahre erstrecken, ist GaNano sehr kostenintensiv. Der Gesamtwert des Projektes beläuft sich auf 3,2 Millionen Euro, wobei 2,3 Millionen Euro von der EU finanziert werden. Das Projekt wurde als STREP (Strategic Research Project) eingestuft, wodurch solch eine Förderung möglich wurde. Denn nur wenn Industriepartner beteiligt sind, die teilweise die Kosten mittragen, sei es durch Maschinen, die zur Verfügung gestellt werden oder durch Personal, wird das Projekt von der EU mitfinanziert. Auch die Technische Universität Ilmenau trägt zum Erfolg des Projektes bei, indem Räume und Gerätschaften gestellt werden. Doch schon im Vorfeld musste auf eine Förderung durch die EU hingearbeitet werden. Bereits im ersten Jahr des ZMN wurde vom Land Thüringen ein Verbundprojekt im Umfang von 2,2 Millionen Euro ermöglicht, um dort die neuen Fachgebiete an einem Projekt zu beschäftigen. So leisteten Elektroingenieure, Maschinenbauer und Naturwissenschaftler die Vorarbeiten für ein durch die EU gefördertes Projekt.
GaNano läuft 2007 aus, doch die Gruppe Biosensorik vom Zentrum für Innovationskompetenz betreibt die Arbeiten zu dem Forschungsthema weiter. Hier wird versucht, die Kommunikation zwischen neuronalen Zellen zu verstehen. In diesem Fall kann man auch durch die Messung von Strömen, verursacht durch den Austausch von Ionen durch die Zellmembranen, auf die Aktivität von Zellen und damit auf mögliche Krankheitsbilder schließen.
Quellen:
Abbildung 1: Univ. Prof. Dr. rer. nat. habil. Oliver Ambacher mit elektronischen Sensoren im Reinraum, Quelle: Karolin Halusa / Christopher Domogalla im ZMN, aufgenommen am 30.04.2007
Abbildung 2: Dosiersystem für Nanolitertröpfchen, Quelle: Karolin Halusa / Christopher Domogalla im ZMN, aufgenommen am 30.04.2007
Abbildung 3: Apparatur zur Messung des Stromflusses bei der elektronischen Analyse, Quelle: Halusa / Christopher Domogalla im ZMN, aufgenommen am 30.04.2007
Abbildung 4: Infografik: Aufbau des GaN-Sensors, Quelle: Christopher Domogalla, erstellt am 28.04.2007
Fachgebiet Nanotechnologie: Forschung, aufgerufen am 15.04.2007 unter http://www.tu-ilmenau.de/fakei/Forschung.1696.0.html, zuletzt aktualisiert am 31.03.2006
Fachgebiet Nanotechnologie: Gruppe III-Nitride, aufgerufen am 13.04.2007 unter http://www.tu-ilmenau.de/fakei/Gruppe-III-Nitride.1768.0.html, zuletzt aktualisiert am 28.10.2005
Kittler G., Ambacher O., Technology GaN Devices: European consortium turns to GaN devices for medical sensor arrays (Artikel persönlich ausgehändigt von O.Ambacher)
Interviews:
1.Interviewpartner: Univ. Prof. Dr. rer. nat. habil. Oliver Ambacher
2.Interviewpartner: Dr. Ing. Gernot Ecke