Die Nanotechnologie ist zwar ein junges Gebiet, stellt aber einen sich dynamisch entwickelnden Wissenschafts-und Wirtschaftszweig dar. Im Vordergrund steht dabei die kontrollierte Herstellung von Strukturen auf der Längenskala einiger Nanometer, wobei als Bausteine häufig anorganische Nanopartikel eingesetzt werden. Bei diesen Nanopartikeln handelt es sich und anorganische und sonstige "nicht-biologische"Partikel, also um Nanopartikel, die keine biologischen Makromoleküle aufweisen. In der Nanotechnologie ist es jedoch nach wie vor ein großes Problem, die erzeugten Nanopartikel quantitativ zu detektieren. Es gibt zwar Methoden, wie z. B. die Transmissions-Elektronenmikroskopie, um Nanopartikel im Labormaßstab zu detektieren, es ist jedoch kein preiswertes Verfahren bekannt, mit dem das Vorkommen von Nanopartikeln in größerem Umfang überwacht werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zu Detektion von solchen als nicht biologisch zu bezeichnenden Nanopartikeln zu schaffen, das sich mit einfachen Mitteln umsetzen lässt und das schnelle und zuverlässige Messungen der Konzentration der Nanopartikel erlaubt. Es ist auch Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgaben werden mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und der Vorrichtung nach Anspruch 18 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten bevorzugte Ausführungsformen.

Der erfindungsgemäße Grundgedanke ist darin zu sehen, aus der Biotechnologie an sich bekannte Verfahren für die quantitative Detektion anorganischer und sonstiger"nicht-biologischer"Nanopartikel in wässriger Lösung einzusetzen.

Gemäß der Erfindung werden dazu Biomoleküle, insbesondere Peptide, selektiv hergestellt, die fest und spezifisch an vorgegebene Nanopartikel binden. Die Detektion dieser Nanopartikel geschieht durch die Bindung der Nanopartikel an die auf einem Sensor befindlichen Peptide und die rechnerische Auswertung des Sensor-Signals im Hinblick auf die Bestimmung von Menge und Größenverteilung der Nanopartikel. Ein wichtiger Gesichtspunkt ist dabei, dass die Detektion nicht vermittels einer spezifischen Bindung an Proteine und/oder Nucleinsäure in den Nanopartikeln geschieht.

Dabei ist die Detektion biologischer Objekte wie Bakterien, Viren, und Biomoleküle ein an sich verwandtes Problem, für das es bereits eine Reihe von Lösungen gibt, wie beispielsweise Mikroarrays oder Oberflächen-Plasmonen-Resonanz. Diese Verfahren beruhen auf der naturgegebenen spezifischen Erkennung biologischer Objekte durch andere Biomoleküle. Allerdings ist in Organismen die Bindung von Biomolekülen beispielsweise an Oberflächen aus Metall, Halbleitermaterial oder Keramik im allgemeinen nicht vorgesehen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es spezielle Biomoleküle gibt, die dennoch an solche Oberflächen spezifisch binden. Diesen Effekt macht sich die Erfindung zunutze. Somit bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine vergleichsweise preiswerte Lösung des Problems der quantitativen spezifischen Detektion von Nanopartikeln aus solchen nicht-biologischen Materialien.

Die Einsatzgebiete für die Erfindung sind vielfältig : So ist beispielsweise davon auszugehen, dass Nanopartikel von Menschen aufgenommen werden und dann, ähnlich wie es für Ruß vermutet wird, gesundheitsschädliche biochemische und biologische Prozesse auslösen. Das Ausmaß der biologischen Wirkung hängt dabei von der Menge und Art der Partikel ab. Um geeignete Schutzmaßnahmen, wie das Beseitigen von Leckagen, treffen zu können, sollten diese beiden Größen in der Umgebung potenzieller Quellen von Nanopartikeln überwacht werden, was die Erfindung ermöglicht. Besonders interessant ist dabei die Überwachung von Nanopartikeln in wässriger Lösung, was einem einfachen Modell der Situation auf Schleimhäuten entspricht. Die Schleimhäute bilden dabei eine biologische Struktur, über die Nanopartikel in den Körper aufgenommen werden können.

Neben der Detektion von Nanopartikeln im Rahmen von Schutzmaßnahmen ist auch die Detektion für Zwecke der Qualitätskontrolle bei der Produktion von wirtschaftlichem Interesse. Beispielsweise kann es erwünscht sein, monodisperse Nanopartikel bestimmter Größe herzustellen. Eine Messung der Größenverteilung kann dann für die Regelung der Partikelproduktion eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in mehreren Schritten ab. So werden zuerst mit Verfahren der gerichteten Evolution, z. B. dem"Phage Display", Peptide für vorgegebene Nanopartikel selektiert, die diese Nanopartikel fest und spezifisch binden. Die Peptide werden dann auf der Oberfläche eines Sensors immobilisiert, bevor die eigentliche Detektion stattfindet. Bei der Detektion werden Nanopartikel in wässrige Lösung gebracht, falls sie nicht schon so vorliegen. Die Lösung wird dann über eine Fluidik auf die Sensor-Oberfläche gegeben, wo die Nanopartikel durch die immobilisierten Peptide spezifisch gebunden und durch den Sensor detektiert werden. Dabei wird nicht nur die absolute Höhe des Sensorsignals im Gleichgewicht aufgezeichnet, sondern es wird auch das Ansteigen des Signals bei der Bindung der Nanopartikel und der Abfall des Signals beim Spülen mit partikelfreier Lösung registriert. Aus der Signalamplitude und dem Signalverlauf wird anschließend die Größenverteilung und die Konzentration der Nanopartikel rechnerisch bestimmt. Erfindungsgemäß wird die Messung an der die Partikel führenden Lösung mit einem Standard verglichen, beispielsweise mit einer Referenzmessung auf einem Sensor gleicher Bauart an einer partikelfreien Lösung oder an Lösungen mit bekanntem Partikelgehalt. Durch Spülen mit partikelfreier Lösung werden gebundene Nanopartikel wieder entfernt, bevor der Sensor für weitere Messungen zur Verfügung steht.

Nachfolgend werden spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung auch anhand der Abbildungen beschrieben. Dabei zeigen : Figur 1 schematisch einen Detektor und Figur 2 schematisch die Oberfläche eines Detektors In der Figur 1 sind die Nanopartikel 1, Peptide auf der Oberfläche eines Phagen mit 2, die mit Peptiden bestückte Sensoroberfläche mit 3, der Signalgeber für den Sensor mit 4, der Fluss der Nanopartikel mit 5 und das Messsignal mit 6 bezeichnet. Nach Figur 2 sind die Peptidmoleküle P über ihr Amino-Ende an Polyethylenglykol (PEG) oder Alkyl-Ketten gekoppelt, die ihrerseits wieder über SH-Funktionen an der Goldoberfläche des Sensorchips gebunden sind.

In den Zeichnungen ist dargestellt, wie zuerst mit Verfahren der gerichteten Evolution für vorgegebene Nanopartikel Peptide selektiert werden, die diese Nanopartikel fest und spezifisch binden (oberer Teil von Abb. 1). Die Peptide werden auf der Oberfläche eines Sensors immobilisiert (mittlerer Teil von Abb. 1.) Dann findet die eigentliche Detektion statt (unterer Teil von Abb. 1).

Das folgende Ausführungsbeispiel zeigt, wie das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von GaAs-Partikeln mittels Mikrowaage-Sensoren eingesetzt werden kann. Zuerst werden mit Hilfe des Phage Display-Verfahrens Peptide selektiert, die spezifisch GaAs binden. Dieser an sich bekannte Schritt führt auf Peptide wie z. B. das Peptid mit der Sequenz RLELAIPLQGSG, das spezifisch an GaAs (100) Oberflächen bindet (Whaley et al. 2000 Nature 405 : 665).

Dieses Peptid wird in synthetisiert und auf einer Mikrowaage mit mindestens zwei Sensorelementen gekoppelt, wobei eines für die eigentliche Messung und eines als Referenz dient. Geeignete Methoden zur Kopplung der Peptid-Moleküle sind an sich bekannt und können insbesondere wie folgt eingesetzt werden : Die Mikrowaage hat eine Goldoberfläche, die vorbereitet wird durch Bedeckung mit "Self Assembled Monolayers"aus bifunktionalen Alkyl-Ketten oder mit einer Schicht aus bifunktionalem Polyethylenglykol (PEG). Die eine der beiden Funktionen ist eine SH-Funktion, die andere eine OH-oder Carboxyl-Funktion. Die Alkyl-Ketten reagieren über die SH-Gruppe mit der Gold-Oberfläche. Das oben genannte Peptid wird über sein Amino-Ende mit den Carboxyl-Gruppen der PEG oder Alkyl-Ketten gekoppelt. Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung der Oberfläche des Sensors nach der Immobilisierung der Peptide.

GaAs-Nanopartikel werden nun in wässriger Lösung durch eine Durchflusszelle (Liss et al. 2002 Anal. Chem. 74 : 4488) über den Sensor geleitet. Dabei werden sie auf der Sensor-Oberfläche von den Peptiden gebunden. Das Signal der Mikrowaage wird akkumuliert über einen Zeitraum, dessen Länge abhängt von der Konzentration der Nanopartikel. Sobald eine gewünschte Signalamplitude erreicht ist, wird die Durchflusszelle vom Fluss der partikelhaltigen Lösung abgekoppelt und mit partikelfreier Lösung gespült. Der Abfall des Signals wird registriert und dient zur Berechnung der Verteilung der Nanopartikelgrößen, wie im Folgenden beschrieben : Für Konzentrationen von Nanopartikeln, bei denen noch keine nennenswerte Wechselwirkung zwischen den Nanopartikeln stattfindet, ist der Abfall s (t) des Signals über die Zeit t zurückzuführen auf eine Reaktion erster Ordnung und für monodisperse Nanopartikeln deshalb im wesentlichen exponentiell : s (t) = sOexp (-t/x), (1) mit der Startamplitude so beim Beginn des Spülens und der Rate-t des Abfalls.

Dabei ist so bei der Mikrowaage proportional zur Gesamtmasse der gebundenen Nanopartikel, die sich aus der Masse m des einzelnen Partikel und der Menge N ergibt.

S0 # N m (2) Für würfelförmige Nanopartikel ist die Masse m = p a 3/2, wobei a die Größe der Würfelfläche ist, über die das Nanopartikel an die Unterlage gebunden ist. Für allgemeiner geformte Nanopartikel gilt etwa m = const p a, wobei a die Wechselwirkungsfläche zwischen dem Nanopartikel und der Unterlage ist. Damit wird Gleichung 2 zu S0 # N ß # a 3/2 (3) mit einer Konstanten ß, die von der Form der Nanopartikel und von der Messapparatur abhängt.

Die Rate z-'in Gl. 1 ist abhängig von der Stärke der Bindung AG, der Differenz der freien Enthalpien zwischen freiem und gebundenem Zustand, der Partikel an die peptidbestückte Unterlage und von der Temperatur #-1 = γ exp (-#G / R T) = α exp (-# a / R T) (4) wobei AG angenähert werden kann durch, die Bindungsstärke des Nanopartikels pro wechselwirkender Fläche a multipliziert mit a. Dabei ist R die allgemeine Gaskonstante und y ebenfalls eine Konstante.

Durch Einsetzen von Gln 3 und 4 in Gl. 1 entsteht ein Ausdruck für den Signalabfall bei monodispersen Nanopartikeln mit der Wechselwirkungsfläche a : s (t, a) = N ß # a3/2 exp (-t γ exp (-# a / R T)) Da im allgemeinen keine monodispersen Teilchen vorliegen, muss die Gleichung über die Beiträge aller Nanopartikel-Klassen mit Wechselwirkungsflächen zwischen amin und amax integriert werden, um den Verlauf des Messsignals zu erhalten : Die interessierende Verteilung N (a) der Teilchengrößen kann numerisch berechnet werden aus Gl. 5 anhand des gemessenen Verlaufes von s (t) und nach Bestimmung der Konstanten auf der rechten Seite durch Kalibrierungsmessungen oder Modellrechnungen. Die numerische Auswertung kann durchgeführt werden durch Diskretisierung in Intervalle von a gefolgt von einer"Singular Value Decomposition". Das Messsignal s (t) oder die daraus berechnete Verteilung N (a) kann dann für Überwachungszwecke eingesetzt werden.

Das nachfolgende Ausführungsbeispiel betrifft eine Methode zur optischen Detektion von Nanopartikeln : Abhängig von der Natur der Nanopartikel kommen auch optische Verfahren bei die Detektion in Betracht. Wobei die nachfolgend beschriebene optische Detektion weniger geeignet ist für die Detektion von Nanopartikeln, die mit der Fluoreszenz einer Gruppe in einem Peptid interferieren, das für die Detektion verwendet wird.

Im Unterschied zum obigen Ausführungsbeispiel werden zwei Peptide hergestellt, wobei zuerst-wie oben beschrieben-ein Peptid (Peptid A) erstellt wird, das die zu detektierenden Nanopartikel spezifisch bindet. Peptid A wird wie beschrieben immobilisiert. Zusätzlich wird ein weiteres Peptid (Peptid B) erstellt, das folgenden Bedingungen genügen muss : Es muss ebenfalls die Nanopartikel spezifisch binden, es darf nicht die Oberfläche auf der Peptid A immobilisiert ist binden und es muss ein Fluorophor enthalten.

Zum Erhalt einer Bindung von Peptid B an die Nanopartikel kann das gleiche Protokoll verwendet werden wie für die Erstellung des Peptids A, insbesondere ein Phage Display mit einer Selektion auf die Bindung der gewünschten Nanopartikel.

Zum Vermeiden der Bindung von Peptid B an die Oberflächen wird in die Selektion ein zusätzlicher Schritt eingebaut : So werden nur solche Phagen amplifiziert, die nicht an einer Oberfläche binden, wie in Abb. 2 gezeigt. Das Fluorophor in Peptid B kann beispielsweise durch nachträgliche Modifikation mit geeigneten Fluorophoren (Dansyl, Alexa, Cascade Blue, etc. ) oder durch ein Tryptophan, das in allen Elementen der Phagen-Bibliothek enthalten sein muss, realisiert werden. Im letzt genannten Fall wird die Erfüllung der beiden ersten Bedingungen nach der Modifikation getestet. Falls nötig, werden solange weitere Modifikationen durchgeführt, bis alle drei Bedingungen erfüllt sind.

Die nanopartikelhaltige Lösung wird dann, wie oben dargestellt, mittels einer Durchflusszelle über die immobilisierten Peptide A geleitet. Die Detektion erfolgt wiederum durch eine Mikrowaage oder durch Oberflächenplasmonen-Resonanz.

Zur weiteren Steigerung der Empfindlichkeit des Verfahrens werden die Peptide B eingesetzt. Eine Lösung, die Peptide B, enthält wird zu diesem Zweck ebenfalls in die Durchflusszelle geleitet. Peptide B binden an die Nanopartikel, die bereits durch die immobilisierten Peptide A gebunden wurden. Danach wird mit einer Lösung gespült, die weder Nanopartikel noch Peptide B enthält. Mit dem Beginn dieses Spülvorgangs wird die Fluoreszenz der Peptide über direkte Einstrahlung oder Oberflächenplasmonen optisch angeregt und auch optisch detektiert. Auf diese Weise lassen sich Nanopartikel schon bei geringeren Konzentrationen nachweisen.