Viren in einem ande­ren Licht sehen – mit Nanolöchern

Revo­lu­tio­nä­re Ent­wick­lung für die Viren­for­schung: Wis­sen­schaft­lern am Leib­niz-Insti­tut für Pho­to­ni­sche Tech­no­lo­gien (IPHT) in Jena ist in Koope­ra­ti­on mit Herae­us Quarz­glas und den Uni­ver­si­tä­ten Har­vard, USA, und Lei­den, Nie­der­lan­de, der mar­kie­rungs- und zer­stö­rungs­freie Nach­weis von Viren mit Abmes­sun­gen klei­ner als 20 Nano­me­ter (ein Nano­me­ter ist der mil­li­ons­te Teil eines Mil­li­me­ters) gelun­gen – mit Hil­fe einer inno­va­ti­ven Nano­loch­fa­ser, die ähn­lich wie eine Inter­net­glas­fa­ser aus Quarz­glas von Herae­us besteht. Die Anwen­dungs­fel­der rei­chen von der medi­zi­ni­schen Dia­gnos­tik bis zur Trink­was­ser­ana­ly­se. Weg­wei­send ist die Mög­lich­keit, Viren erst­mals in ihrer natür­li­chen Umge­bung beob­ach­ten zu kön­nen, ohne sie zu mani­pu­lie­ren. Ers­te Mes­sun­gen mit Test­vi­ren erfolg­ten bereits an den Uni­ver­si­tä­ten Har­vard und Leiden.

Herae­us ent­wi­ckel­te die Nanoloch-Faser

Herae­us Quarz­glas ent­wi­ckel­te gemein­sam mit einer IPHT-For­scher­grup­pe die Faser. Die Pro­duk­ti­on der außer­ge­wöhn­li­chen Glas­fa­ser erfolg­te direkt bei Herae­us in Hanau. Ste­fan Weid­lich, Phy­si­ker im Bereich For­schung & Ent­wick­lung Spe­cial­ty Fiber Optics bei Herae­us Quarz­glas, freut sich über den Erfolg: „Unse­re Anwen­dung zeich­net sich dadurch aus, dass wir die Viren in Quarz­glas füh­ren — einem der reins­ten Werk­stof­fe, den man tech­nisch her­stel­len kann. Die Faser selbst lei­tet Licht fast per­fekt ohne es zu streu­en. Sobald das Licht aber auf das Virus trifft, wird ein Anteil hier­an gestreut. Dies ermög­licht sehr schnel­le Beob­ach­tun­gen bei einem äußerst gerin­gen Hin­ter­grund. Die Bewe­gung eines Virus kann dadurch in einem Zeit­raum von meh­re­ren Sekun­den beob­ach­tet und auf­ge­zeich­net werden.“

Herae­us hat bei der Her­stel­lung der Faser die kom­plet­te Wert­schöp­fung abge­deckt. Der Pro­zess reicht von der Her­stel­lung der Vor­form aus hoch­rei­nem Quarz­glas bis zum Zie­hen der hoch­emp­find­li­chen Nano­loch­fa­ser. Bei der Aus­wahl und Cha­rak­te­ri­sie­rung des rich­ti­gen Quarz­glas­ma­te­ri­als und der Ent­wick­lung des spe­zi­el­len, außer­ge­wöhn­li­chen Designs der Nano­loch­fa­ser konn­te der Tech­no­lo­gie­kon­zern sei­ne gro­ße Kom­pe­tenz im Bereich Tele­kom­mu­ni­ka­ti­ons­glas­fa­sern und Spe­zi­al­fa­sern kom­bi­nie­ren. Als größ­te inte­grier­te Quarz­schmel­ze der Welt treibt Herae­us seit über 110 Jah­ren Inno­va­tio­nen in Quarz­glas voran.

„Nanoloch“-Faser ermög­licht neue Beobachtungsmethoden

Im Kern der Faser befin­det sich ein Nano­loch mit einem Durch­mes­ser von 200 Nano­me­tern, das sich ent­lang der gesam­ten Faser aus­brei­tet. In die­ses Loch wer­den in Was­ser schwim­men­de Test­vi­ren ein­ge­füllt und Licht in den Fas­er­kern ein­ge­kop­pelt. Mit­tels Licht­streu­ung kön­nen die Grö­ße und die Bewe­gung der Viren bestimmt wer­den. Grund­la­ge für die Licht­füh­rung in einer opti­schen Faser ist ein vom Kern zum Man­tel abneh­men­der Bre­chungs­in­dex. Trifft das in die Kapil­la­re ein­ge­kop­pel­te Licht nun auf ein Virus, wird ein Teil des Lichts von sei­ner Aus­brei­tungs­rich­tung abge­lenkt, d. h. gestreut. Durch die­se Lichts­streu­ung und mit Hil­fe eines Mikro­skops kann die Grö­ße des Virus bestimmt werden.

Der Ein­satz der Nano­loch­fa­ser zur Viren­un­ter­su­chung ist für Herae­us Ent­wick­ler Ste­fan Weid­lich nur ein ers­tes Anwen­dungs­feld. „Wir sehen wei­te­re Anwen­dun­gen in der Medi­zin, im Bereich Life Sci­ence und in der Sen­so­rik. Denk­bar wären etwa Mes­sun­gen für sehr kost­ba­re, klei­ne Par­ti­kel in einer Flüs­sig­keit, wie etwa Phar­ma­zeu­ti­ka, denn man benö­tigt extrem wenig Pro­ben­vo­lu­men für die Nanolochfaser.“

Die For­schungs­er­geb­nis­se sind in einem Fach­bei­trag zusam­men­ge­fasst und bei ACS Nano online abruf­bar: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b05646