Schreiben mit dem Nanofüller

10.12.2010: Immer kleinere nanoskopischer Strukturen werden für integrierte Schaltkreise, Biosensoren oder Genchips benötigt. Ein Verfahren zu deren Herstellung ist die so genannte Dip-Pen-Nanolithographie, bei der Muster mit der Nanospitze eines Rasterkraftmikroskops direkt auf ein Substrat „geschrieben“ werden. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen koreanische Forscher um Jung-Hyurk Lim von der Chungju National University in Chungjunun eine weiterentwickelte Nanospitze für diese Methode vor. Mit diesem „Nanofüller“ lassen sich komplexe Nanomuster aus großen Biomolekülen, etwa kompletten Viruspartikeln, rasch, präzise und flexibel erzeugen.

Die Rasterkraftmikroskopie, ursprünglich zur Bestimmung der nanoskopischen Struktur von Oberflächen konzipiert, wurde inzwischen sehr erfolgreich „zweckentfremdet“: Bei der Dip-Pen-Nanolithographie wird die Nanospitze wie eine Feder in ein „Tintenfässchen“ eingetaucht und dann werden Moleküle wie Tinte auf eine geeignete Unterlage in Form komplexer Nanomuster aufgetragen. Entscheidend ist dabei ein winziger Wasser-Meniskus zwischen der zu beschreibenden Oberfläche und der Nanospitze, durch den die Moleküle der „Tinte“ - DNA, Peptide oder auch Proteine - auf die Oberfläche wandern. Noch größere Biomoleküle können dagegen nicht durch den Meniskus diffundieren und lassen sich daher nicht auftragen. Diese Limitierung haben die koreanischen Wissenschaftler dank einer neuartigen Nanospitze nun überwunden. Sie besteht aus Siliciumdioxid, das mit einem gut charakterisierten biokompatiblen Polymer beschichtet wird. Dabei einsteht ein nanoposöres Polymernetzwerk mit Porendurchmessern zwischen fünfzig und einigen hundert Nanometern.

Wird diese Spitze in eine Lösung eines Biomoleküls getaucht, quillt das poröse Polymer zu einem Gel auf und absorbiert dabei die Flüssigkeit. Bringt man den beladenen „Nanofüller“ mit einem Amin-beschichteten Substrat in Kontakt, diffundieren die Biomoleküle aus dem Gel auf die Oberfläche. Da die Diffusion vom Gel auf die Obefläche viel leichter verläuft als die Diffusion durch einen Wassermeniskus, lassen sich wesentlich größere Biomoleküle auftragen als bei der konventionellen Methode.

Die Forscher wählten zur Demonstration komplette mit einem Fluoreszenzfarbstoff versehene Viruspartikel als „Tinte“. Damit ließen sich Muster aus mehr als 1000 einzelnen Nanopünktchen erzeugen, ohne den „Füller“ neu auftanken zu müssen. Anders als bei der konventionellen Methode steigt mit zunehmender Kontaktzeit der Unterlage mit dem Füller lediglich die Anzahl der einzelnen Viren innerhalb des Pünktchens, nicht aber dessen Durchmesser. Den Forschern gelang es dennoch, Punkte verschiedener Größe (400, 200 und 80 nm) herzustellen, indem sie den Durchmesser der Spitze variierten. Und diese lässt sich ganz leicht über die Dauer der Polymerisationsreaktion zur Beschichtung der Spitze steuern.

Originalveröffentlichung: Jung-Hyurk Lim et al.; "Polymer-Coated Tips for Patterning of Viruses by Dip-Pen Nanolithography"; Angewandte Chemie 2010, 122, No. 50, 9883-9886