NANOSENSOREN: Kleines Paket, große Lieferung

Unter all den bissgroßen Nuggets der Weisheit, die unsere Kindheit verstreuten, waren die denkwürdigsten - und schmerzhaft wiederholten - wahrscheinlich die Erinnerung an einen „großen Traum“. In einer Welt ständiger Erfindungen und Innovationen wird jedoch immer klar, dass das Beste der Fall ist Dinge müssen nicht unbedingt die größten sein. Im Jahr 1959 teilte Richard Feynman seine Träume von einem Tag, an dem die kleinsten, meist miniaturisierten Instrumente die größten Informationsmengen zusammenfassen konnten. Nur zwei Jahrzehnte später erweckte die Gründung der Nanotechnologie Feynmans Träume. Nanosensoren sind eine von Hunderten von Arten der Nanotechnologie, die zu Fortschritten in der modernen Gesellschaft beigetragen haben - revolutionieren und bahnbrechende Innovationen in Bereichen wie der Medizin oder der Landwirtschaft schaffen und dazu beitragen, unser Leben auf unzählige Weise zu erleichtern.

Richard Feynman,

Was sind Nanosensoren?

Ein fundiertes Verständnis der grundlegenden Konfiguration und Funktion neuer Technologien wie Nanosensoren kann dabei helfen, die Vorteile der Nanotechnologie zu veranschaulichen. Durch die Verwendung einer Vielzahl fortschrittlicher Materialien wie Quantenpunkte, Kohlenstoffnanoröhren und Nanoschalen ist ein Nanosensor ein Gerät, das das Vorhandensein von Nanomaterialien erkennt, Daten speichert, analysiert und übermittelt. Nanomaterialien sind in der Regel weniger als 100 Nanometer, und Nanosensoren ermöglichen es im Wesentlichen, auf mikroskopischer Ebene nahezu unsichtbare Materie zu identifizieren und zu bewerten. Im Allgemeinen sind die drei Hauptkomponenten aller Sensoren: (1) ein antwortendes Element, das in der Lage ist, ein Signal zu erzeugen, nachdem das Vorhandensein eines Analyten erkannt wurde, (2) ein Verstärker, der Signale als Eingang empfängt und sie verstärkt, so dass dies möglich ist (3) einen Detektor, der die Ausgabe vom Verstärker empfängt und in einen nützlichen Parameter umwandelt.

Chemischer Nanosensorchip (Bildnachweis: NASA).

Wie Nanosensoren funktionieren

Basierend auf einem Arbeitsablauf, der dem herkömmlicher Sensoren ähnelt, unterscheiden sich Nanosensoren durch die Verwendung von Nanomaterialien als aktivem Sensorelement sowie durch die Schlüsselrolle der Elektrizität. Diese Unterschiede können weiter untersucht werden, indem zum Beispiel mechanische Nanosensoren und chemische Nanosensoren verstanden werden. Chemische Nanosensoren messen die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Nanomaterials nach dem Nachweis eines Analyten. Obwohl viele Nanomaterialien eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, wird sie reduziert, sobald ein Molekül gebunden oder adsorbiert ist, und chemische Nanosensoren erkennen und messen diese Veränderung. Nanodrähte und Nanoröhren sind Beispiele für chemische Nanosensoren, die nach dem Nachweis eines Analyten sowohl als Wandler als auch als elektronische Drähte dienen können, hauptsächlich aufgrund ihrer elektrisch begrenzten Konfiguration. Bei Nanomaterialien, die als mechanische Nanosensoren verwendet werden, wird jedoch die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit erfasst, wenn das Material physikalisch manipuliert wird. Diese Änderung wird üblicherweise auch mit einem angeschlossenen Kondensator gemessen, da eine messbare Änderung der Kapazität erzeugt wird.

(b) Ein hybrider chemischer Sensor, bestehend aus 4 Nanosensoren mit unterschiedlichen Nanodrähten (Bildnachweis: Chen et al., 2009).

Die Bedeutung von Nanosensoren

Wie der Name schon sagt, ist der Vorteil der Nanotechnologie die kleinste Größe, insbesondere bei Wechselwirkungen mit menschlichen Systemen. Obwohl Nanosensoren einen Teil ihres Namens mit letzteren teilen, sind Nanosensoren wesentlich kleiner als herkömmliche Sensoren - und sind in der Größe vielen Proteinen wesentlich ähnlicher. Dadurch können Nanosensoren tatsächlich effektiv innerhalb von Zellen arbeiten. Infolgedessen tragen Nanosensoren wesentlich zu Fortschritten in der diagnostischen Medizin bei, indem sie die Diagnose und Behandlung von Krankheiten auf molekularer Ebene erleichtern. Beispielsweise dienen elektrische Nanosensoren als Sonden zur Diagnose von Krankheiten, und Nanodrähte helfen tatsächlich bei der Erkennung von biologischen Bedrohungen, frühen Krebsstadien, der Entdeckung von Medikamenten und der medizinischen Behandlung. Von der Überwachung anatomischer Parameter des menschlichen Körpers als Netzwerke für Nanoroboter bis hin zur Unterstützung der In-vitro-Analyse von Säugerzellen haben Nanosensoren außergewöhnliche Anwendungen, die zur Lösung einiger der größten Probleme der Welt beitragen können.

Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Nanosensoren können sie die Geschwindigkeit und Empfindlichkeit der Detektion drastisch verbessern und mehrere Ziele erkennen. Beispielsweise sind Nanoschalen aus einem nicht leitenden Kern, der mit einer metallischen Hülle bedeckt ist, bei der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS) um das 10.000-fache wirksamer als herkömmliche Systeme. Mit der Fähigkeit, nur wenige Moleküle einer Zielsubstanz zu detektieren, bieten Nanoschalen Forschern und Wissenschaftlern die Möglichkeit, neue Diagnosesysteme auf molekularer Ebene (vollständig optische Sensoren im Nanomaßstab) zu entwickeln.

In den letzten Jahren wurden Nanopartikel nicht nur zum Erfassen von pH-Wert, Sauerstoff, Temperatur, Wasser und Proteinen entwickelt, sondern auch zur Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies. PH-abhängige Nanosensoren wie fluoreszierende, pH-empfindliche Nanosensoren können genaue ratiometrische Messungen durchführen. Sie können hohe räumliche (<50 nm) und zeitliche (<100 ms) Auflösungen sowie hohe pH-Auflösungen (± 0,17 pH-Einheiten) messen. Diese Nanosensoren haben umfangreiche Anwendungen, von der Überwachung von rhythmischen intestinalen pH-Schwingungen in Echtzeit in Organismen wie Caenorhabditis elegans und P. pacificus bis hin zur Bestimmung der intrazellulären Änderungen des pH-Werts der Hefe während des Glukosestoffwechsels.

P.pacificus 3D-pH-Karte (Bildnachweis: ISAC University of Nottingham).

Nanofabrikation

Nanosensoren werden durch einen als Nanofabrikation bezeichneten Prozess aufgebaut, der als Design und Herstellung von Geräten mit Abmessungen in Nanometern definiert wird. Es gibt verschiedene Methoden der Nanofabrikation, darunter zwei der gebräuchlichsten Ansätze: Top-Down-Herstellung und Bottom-Up-Herstellung. Der Bottom-up-Ansatz wurde bereits seit den 1970er Jahren angewandt, wobei jeweils ein Atom entfernt wird, bis die gewünschte Struktur entwickelt ist. Die Herstellung eines Chip-by-Chip-Atoms wird durch die Vorstellung bestätigt, dass sich ein Chip unter Verwendung programmierbarer Nanomaschinen möglicherweise Atom für Atom zusammenbauen kann. In der Tat wird angenommen, dass sich die Komponenten durch einen Prozess bilden würden, der der Zellteilung in lebenden Organismen ähnelt und biologische Prozesse nachahmt, die für die menschliche Entwicklung von grundlegender Bedeutung sind. Der Top-Down-Ansatz beinhaltet dagegen im Allgemeinen das Ausätzen von Kristallebenen. Eine der gebräuchlichsten Methoden des Top-down-Ansatzes umfasst die Nanolithographie, die weiter in Techniken wie Photolithographie, Ionenstrahllithographie und weiche Lithographie unterteilt werden kann. Die Photolithographie verwendet beispielsweise kurze Lichtwellenlängen, um die Löslichkeit von Molekülen zu verändern, so dass diese im Wesentlichen „weggespült“ werden und die gewünschte Struktur entstehen. Diese Technik verwendet Technologien wie Phasenverschiebungsmasken, bei denen es sich um Fotomasken handelt, die Interferenzen aufgrund von Phasendifferenzen nutzen, um die Bildauflösung zu verbessern.

(Bildnachweis: Encyclopædia Britannica)

Nanofabrikation: Probleme und Lösungen

Obwohl die Nanotechnologie, wie jede andere Innovation, enorme Vorteile und Lösungen für einige der komplexesten Fragestellungen bietet, haben Prozesse wie die Nanofabrikation auch einige Nachteile. Zum Beispiel beinhaltet der Top-Down-Ansatz lithographische Musterungstechniken unter Verwendung von optischen Quellen mit kurzer Wellenlänge, die extrem schwierig sind, im Nanomaßstab anzuwenden. Da dieser Ansatz planare Techniken umfasst, sind 3D-Objekte auch extrem schwer zu konstruieren. Darüber hinaus gibt es eine erhebliche Einschränkung bei der Breitenauflösung aufgrund der Art der Maskierungstechnik, die bei den Schneidwerkzeugtechnologien verwendet wird. Der Bottom-Up-Ansatz hat jedoch auch einige Nachteile - wenn auch weniger als der von oben -, einschließlich der Tatsache, dass kompatible Oberflächen und Moleküle erforderlich sind, und es gibt weniger Werkzeuge zum Manipulieren von Molekülen und Atomen. Diese Methoden sind nicht nur extrem langwierig und kompliziert - sie erfordern viel Zeit -, sondern sie sind auch kostspielig, was zu einer ungleichen und eingeschränkten Zugänglichkeit führt. Nanomaterialien haben im Allgemeinen auch gravierende negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Aufgrund ihrer geringen Größe können sie leicht eingeatmet und injiziert werden und durch Hautkontakt in den Körper gelangen. Dies kann zu ernsten Problemen wie Zelltod und Fibrose führen.

Glücklicherweise gibt es zahlreiche Methoden zur Verbesserung des Nanofabrikationsprozesses - eine davon ist die Plasma-Nanofabrikation. Plasma wird im Allgemeinen als vierter Zustand der Materie betrachtet und enthält eine Vielfalt energetischer Spezies, die für viele Herstellungsprozesse kontrolliert werden kann. Plasmabasierte Technologie produziert im Allgemeinen substratgebundene Nanomaterialien. Die meisten dieser Prozesse werden in einer regulierten Umgebung durchgeführt, wodurch die Exposition von toxischen Gasen oder Flüssigkeiten gegenüber Menschen verhindert wird. Tatsächlich hat Plasma die einzigartige Fähigkeit, toxische Gase in nichttoxische Substanzen umzuwandeln, was durch die Verwendung von Silan zur Herstellung von nanokristallinem Silicium beispielhaft veranschaulicht werden kann. Darüber hinaus ist der Prozess der Plasma-Nanofabrikation äußerst energieeffizient und verwendet keine organischen Lösungsmittel (während die meisten chemischen Verfahren dies tun), und wird daher als umweltfreundlicher industrieller Prozess betrachtet.

(Bildnachweis: IOP Science)

Nanosensoren und Fruchtbarkeit

Aufgrund meines ständig wachsenden Interesses an reproduktiver Endokrinologie und Fertilität versuchte ich, Verbindungen zwischen Nanosensoren und Fragen der Unfruchtbarkeit zu erforschen und zu entwickeln. Obwohl ich seine Bedeutung bei extremen Fortschritten in der menschlichen Fruchtbarkeit nicht finden konnte, stolperte ich über die Verwendung von Nanosensoren bei der Schafsfruchtbarkeit. Im Bestreben, ihre Schafherden zu diversifizieren und zu vermehren, nutzen Schafzüchter und Viehzüchter häufig den Prozess der künstlichen Besamung. Die Bestimmung der Fruchtbarkeit von weiblichen Schafen ist jedoch ein äußerst schwieriger Prozess. Vor dem Eisprung der Schafe steigt der Blutspiegel an luteinisierenden Hormonen im Blut kurzlebig an, und der Nachweis dieser Stöße erfordert extrem teure Geräte, die in externen Labors verwendet werden. Um dieses Problem zu lösen, haben Zahra Afrasiabi von der Lincoln University und Raghuraman Kannan von der University of Missouri in Zusammenarbeit mit einem Nanotechnologieunternehmen, Nanoparticle Biochem, einen kostengünstigen Nanosensor entwickelt, der auf der Ranch zum Nachweis dieser Hormonzunahmen verwendet werden kann. Unter Verwendung von Goldnanopartikeln mit einer aus Luteinisierungshormonen gewonnenen Peptidsequenz - mit der Fähigkeit, an einen Antikörper für das Hormon zu binden - beschichteten die Forscher den Antikörper mit einem Segment von Nitrocellulose. Der Nanosensor, der zahlreiche Male getestet wurde und vom Lehrstuhl für Tierwissenschaften der Cornell University, W. Ronald Butler, als wirksam befunden wurde, bietet revolutionäre Hilfen auf dem Gebiet der Tierfruchtbarkeit. Die Forscher schätzten die Produktionskosten von lediglich 2 USD pro Sensor und kamen zu dem Schluss, dass ein ähnlicher Sensor für Ziegen entwickelt werden könnte. Mit den aufkommenden Fortschritten in der Nanotechnologie und Nanosensoren ist der Einsatz von Nanosensoren für die menschliche Fruchtbarkeit möglicherweise nicht so weit entfernt.

Der Prozess, um ein Schafblut auf Luteinisierungshormon zu testen

Zum Mitnehmen

"Das einzige, was ich weiß, ist, dass ich nichts weiß" - Sokrates. Während meines Interviews mit Nadeem Nathoo für ein Anreicherungsprogramm, das die Wissensgesellschaft The Knowledge Society inspirieren sollte, wurde ich mit diesem Zitat bekannt gemacht. Obwohl es mir damals ziemlich paradox erschien, inmitten der Erforschung und des Verständnisses der Technologie von Nanosensoren, verstand ich schließlich deren wahre Bedeutung. Einfach dadurch, dass Sie nicht behaupten, dass ich das Sokrates-Paradigma nicht vorgestellt habe: Die brillantesten und produktivsten Denker verstehen, dass ihr Wissen durch die unerforschten Wahrheiten in unserem riesigen Universum in den Schatten gestellt wird. Als junger, potenzieller Innovator habe ich weit mehr Fragen, als ich jemals beantworten kann. Vor diesem Hintergrund bleibt mir eine zentrale Frage - eine, auf die ich für den Rest meines Lebens Antworten geben werde: Was kann ich tun, um die Welt kontinuierlich zu verändern und Milliarden zu beeinflussen? Vielleicht dient die Wissensgesellschaft als kleines Paket, um meine größte Lieferung zu entdecken.