Bakterien, Bild: Pixabay

Mit einem Nanolochfaser können Viren mit Abmessungen kleiner als 20 Nanometer nachgewiesen werden. Bild: Pixabay

Viren lösen oft lebensgefährliche Infektionen wie 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.

Das 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.

Nanoloch-Faser, Bild: Heraeus
Die Viren werden in Quarzglas geführt. Die Faser selbst leiten Licht ohne zu streuen. Trifft nun das Licht auf das Virus, wird das Licht gestreut. Die Bewegungen des Virus können so in einem kurzen Zeitraum beobachet werden. Bild: Heraeus

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.“

Neue Beobachtungsmethoden

Nanoloch Detail, Bild: Heraeus
Das Nanoloch hat einen Durchmesser von 200 Nanometern. In dieses Loch werden in Wasser schwimmende Viren eingefüllt. Mittels Lichtstreuung können die Größe und die Bewegung der Viren bestimmt werden. Bild: Heraeus

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, das heißt 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.“