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„Der Traum vom Westentaschen-Labor“Arbeitsgruppe des Autors

Detlev Belder

In der Mitte des letzten Jahrhunderts haben umwälzende technische Entwicklungen stattgefunden, die das tägliche Leben vieler Menschen nachhaltig verändert haben. Durch die Miniaturisierung elektronischer Bauteile konnten ganze Rechenzentren zu kleinen Computern schrumpfen und heutzutage kann sich kaum noch jemand vorstellen, wie das Leben ohne die vielen elektronischen Helfer aussehen würde.
Die Anwendung der hierfür entwickelten Mikrosystemtechnik ist nicht auf die Mikroelektronik begrenzt, sondern ermöglicht auch die Miniaturisierung immer komplexerer Komponenten und Systeme. Der Siegeszug der Miniaturisierung macht auch vor der Chemie nicht halt und könnte auch hier eine neue Ära einläuten. Es wird das ehrgeizige Ziel verfolgt, ganze Chemie- und Analysen-Laboratorien zu sogenannten Lab-on-a-chip Systemen "schrumpfen" zu lassen.

Abbildung 1: Durch Anwendung der Mikrosystemtechnik könnten künftige Chemielabore so schrumpfen wie einst die Großrechner.

Die Verheißungen solcher Westentaschenlabore sind groß. Es werden nur noch winzige Mengen chemischer Substanzen benötigt, was viel umweltfreundlicher ist und teure Chemikalien spart. Auf dem Gebiet der analytischen Chemie verspricht man sich besonders viel von solchen geschrumpften Analysenlaboren, weil damit zum Beispiel in der Diagnostik selbst komplexe Analysen direkt vor Ort gemacht werden könnten. So muß man vielleicht in einigen Jahren nicht mehr lange bangend auf die Laborwerte warten, sondern erhält das Ergebnis sofort von einem scheckkartengroßen Gerät beim Arzt. Bis dieser Traum Wirklichkeit werden kann, steht jedoch noch viel an Entwicklungsarbeit aus. Dies macht die lab-on-a-chip Technologie zu einem faszinierenden interdisziplinären Forschungsthema.
Das Schrumpfen chemischer Prozesse und Anlagen zu Wesentaschen-Laboratorien ist jedoch ungleich schwerer und komplexer als die Miniaturisierung in der Mikroelektronik. Winzige Flüssigkeitsmengen, in denen chemische Substanzen gelöst sind, lassen sich nämlich viel schwerer manipulieren als elektrische Ströme in der Mikroelektronik. Mikrofluidische Kanäle sind, in Analogie zu den Leiterbahnen in der Mikroelektronik, die zentralen Bauelemente eines geschrumpften Chemielabors. Solche haarfeinen Kanälen werden zum Transport, Mischen und Trennen von Reagenzien im Nanoliter-Maßstab benötigt.

Elektrophorese mit Mikrochips

Zur Miniaturisierung der Elektrophorese werden Mikrofluidik-Chips eingesetzt. Das sind Bauteile mit Mikrokanälen die an Objektträger aus der Mikroskopie erinnern. Die sogenannte Mikrochip-Elektrophorese ist das derzeit erfolgreichste analytische Verfahren in der noch jungen Mikrofluidik, es sind sogar bereits die ersten kommerziellen Geräte verfügbar. Eine schematische Darstellung mit Dimensionen eines typischen Elektrophorese-Chips ist in Abb. 2 gezeigt.

Abbildung 2: Schematische Darstellung des Aufbaus eines einfachen Elektrophorese-Chips: Zweiteiliger Chip mit mikrostrukturierter Unterplatte und gelochter Deckplatte, Querschnittsdarstellung des Chips sowie elektronenmikroskopische Aufnahme des Kreuzungsbereiches.

Die Funktion eines solchen einfachen Elektrophorese-Chips mit 2 gekreuzten haarfeinen Kanälen wird aus Abbildung 3 deutlich. Das Analysenprinzip ist in der Mikrochip-Elektrophorese das gleiche wie in der klassischen Elektrophorese, dessen Ergebnis jeder Tatort- oder Quincy-Fan schon mal bei Erstellung des genetischen Fingerabdrucks gesehen hat. Verbindungen werden aufgrund ihrer unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeit im elektrischen Feld aufgetrennt, so wie Läufer auf einem Hindernisparcours, wo die schlanken und starken Athleten das Ziel vor den Dicken erreichen. Neben der Miniaturisierung ist der Hauptunterschied zur klassischen Elektrophorese der Injektionsprozess, bei dem das Kunststück gelingen muß, nur wenige Nanoliter einer Probe zu dosieren um nicht das ganze System zu Fluten. Hierfür wird zunächst durch Anlegen einer Spannung der Trennkanal mit der Probe gefüllt und dort mit Gegenspannungen fokussiert. Ein winziger Teil der Probe, der sich im Kreuzungsbereich der Kanäle befindet, wird dann durch Umschalten der Spannungen gleichsam ausgestanzt und auf den Hindernisparcours zur Auftrennung geschickt, siehe Abb. 3.

Abbildung 3: Schematische Darstellung der Elektrophorese auf einem Chip.

Dieser Prozeß kann mit Hilfe der Videomikroskopie sehr schön visualisiert werden. In dem gezeigten Video wird die Auftrennung fluoreszierender Verbindungen nach einer sogenannten Pinzetteninjektion in Echtzeit dargestellt.

Video: Videomikroskopie der Auftrennung fluoreszierender Proben in der Chip-Elektrophorese.

In dem gezeigten Video wird eine Probe in nur 760 ms getrennt, wofür eine Strecke von weniger als einem Millimeter Länge ausreicht. Hieraus wird deutlich, daß die Chip-Elektrophorese eine außerordentlich schnelle Analysenmethode darstellt, so halten wir derzeit den Weltrekord für die schnellste chirale Trennung in nur 720 ms.
Diese Eigenschaft macht die Elektrophorese zu einem idealen Kandidaten als nachgeschaltetes Analysenverfahren für miniaturisierte chemische Reaktoren. Im Max-Planck-Institut in Mülheim arbeiten wir gerade an der Integration von enantioselektiver Analyse und Katalyse auf einem Mikrochip. Der Prototyp eines solchen Chips ist in Abb. 4 gezeigt. Damit soll es möglich werden neue chemische Reaktionen in deutlich kürzerer Zeit und mit weniger Materialaufwand zu entwickeln. Somit könnte dann zukünftig die Entwicklung neuer Medikamente viel schneller und kostengünstiger erfolgen.

Abbildung 4: Der Mülheimer Reaktionschip

Ein wichtiger Aspekt bei mikrofluidischen Systemen ist die Beschaffenheit der Kanal-Oberflächen. So ist es ganz entscheidend ob die Oberflächen hydrophil oder hydrophob sind. Hydrophile, also wasserliebende Kanäle, füllen sich sogar ganz von selbst mit wässrigen Lösungen. Stark hydrophile Kanäle sind insbesondere zur Auftrennung von Proteinen notwendig, damit diese nicht an der Kanalwand kleben bleiben wie ein verkohltes Steak in der Pfanne. Ähnlich wie bei der Bratpfanne kann dieses Problem mit einer Beschichtung gelöst werden, statt des Teflons wie bei der Bratpfanne sind hier jedoch hydrophile Polymere besonders geeignet. Hierfür konnte in unserer Arbeitsgruppe ein Verfahren zur inneren Beschichtung von Kanälen in Glaschips entwickelt werden, mit dem auch komplexe Proteinmischungen aufgetrennt werden können. Damit könnte die Mikrochip-Elektrophorese auch einen wichtigen Beitrag zum Gelingen des gegenwärtig ehrgeizigsten Projekts der Lebenswissenschaft leisten, welches mit dem Schlagwort Proteomics bezeichnet wird. Hier versuchen Wissenschaftler in aller Welt das Zusammenspiel der Proteine im Körper zu verstehen um effizientere Waffen im Kampf gegen Krankheiten zu entwickeln.
In weiteren Projekten beschäftigen wir uns mit neuen Detektionsverfahren und mit der Strukturierung alternativer Materialen. Mikrofluidische Chips lassen sich nämlich ähnlich wie Legos auch kostengünstig aus Kunststoffen herstellen. Solche Chips sind besonders attraktiv als Einwegartikel in der Diagnostik, wie man das auch von einem Schwangerschaftstest kennt. Hier sind jedoch noch große Herausforderungen, insbesondere in der Oberflächenchemie und Detektion, zu meistern.
Die Forschung mit Laborchips ist sehr spannend und hat viele Facetten von denen hier nur ein kleiner Ausschnitt beleuchtet wurde. Die Chancen stehen nicht schlecht, daß diese Forschung schon bald eine Revolution in der Chemie und Diagnostik auslöst.


Kontakt:
  • Detlev Belder
    Abteilung Chromatographie
    Max-Planck-Institut für Kohlenforschung
    Kaiser-Wilhelm-Platz 1
    45470 Mülheim/Ruhr
    Tel.: +49 (0)208 306-2275
    Fax: +49 (0)208 306-2982
    E-Mail: belder@mpi-muelheim.mpg.de