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Viren in einem ande­ren Licht sehen – mit Nanolöchern

9. Februar 2016
in Pharma
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Porträt Stefan Weidlich von Heraeus Quarzglas aus der Abteilung Specialty Fiber Optics auf dem Betriebsgelände Heraeus Quarz in Hanau am Dienstag, 26.01.2016 für eine Geschichte in der Heraeus Mitarbeiterzeitschrift " teamwork "

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.

„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.
„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.Viren lösen oft lebens­ge­fähr­li­che Infek­tio­nen wie z.B. Grip­pe oder Darm­er­kran­kun­gen aus. Vor dem Hin­ter­grund der Zunah­me vira­ler Erkran­kun­gen und ihrer Ver­brei­tung gewin­nen der ein­deu­ti­ge Nach­weis und die Iden­ti­fi­ka­ti­on der anpas­sungs­fä­hi­gen Krank­heits­er­re­ger an Bedeu­tung. Je mehr Wis­sen­schaft­ler über die Struk­tur von Viren und deren schnel­le Anpas­sung an das mensch­li­che Immun­sys­tem ken­nen, des­to bes­se­re Maß­nah­men kön­nen im Kampf gegen Viren ent­wi­ckelt wer­den. Pro­blem: Viren sind 300 bis 400 Mal klei­ner als der Durch­mes­ser eines mensch­li­chen Haars und somit nahe­zu unsicht­bar. Die viro­lo­gi­sche Dia­gnos­tik bie­tet zur Unter­su­chung eine Rei­he von auf­wän­di­gen Mög­lich­kei­ten. Dazu zählt die Ras­ter­elek­tro­nen- oder die Fluo­res­zenz­mi­kro­sko­pie, die Prä­pa­ra­ti­ons­schrit­te wie das Anfär­ben oder eine räum­li­che Fixie­rung erfor­dern. Die Mar­kie­rung eines Virus mit einem Farb­stoff ver­än­dert aber sei­ne Eigen­schaf­ten. Mit der neu­en Nano­loch-Metho­de kön­nen die­se Nach­tei­le umgan­gen wer­den, denn die Faser kann in Stan­dard­mi­kro­sko­pe inte­griert und deren Nach­weis­gren­ze dadurch auf ande­re Nano­par­ti­kel erwei­tert werden.

 

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.

Nanolochfaser_Illu_loch_DE„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

 

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