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
