Nanosensoren einfach hergestellt

Sie gehören zu den spannendsten möglichen Anwendungsfeldern der Nanotechnologie: Winzige Detektoren, die gleichzeitig Hunderte verschiedener Giftstoffe oder Krankheitserreger aufspüren können. Eingebaut in kleine, tragbare Geräte, ließen sie sich beispielsweise zur Abwehr von Bioterror-Attacken nutzen. Eine weitere Nutzungsmöglichkeit wären kostengünstige Krebstests, die man dann in der Apotheke kaufen könnte, um sie regelmäßig selbst durchzuführen.

Einfach herzustellen sind die bislang verfügbaren Prototyp-Sensoren-Systeme allerdings nicht - was den Preis möglicher Endprodukte hochtreibt. Ein Forscherteam an der Yale University will nun ein Produktionsverfahren entwickelt haben ("Nature", Ausgabe der letzten Woche), das dieses Problem läst. Ihre Sensoren basieren auf Halbleiter-Nanodrähten, die geringste Konzentrationen von Substanzen erkennen können - Virenpartikel inklusive. Ähnliche Systeme haben bereits andere Wissenschaftler gezeigt. Allerdings erwiesen sich deren Kreationen bis dato als verhältnismäßig untauglich für die Massenproduktion.

Normalerweise lassen sich bei Nanodraht-Sensoren keine gewöhnlichen Halbleiter-Produktionsmethoden verwenden. Somit müssen die sich daran anschließenden Schaltkreise zur Verstärkung und Verarbeitung der Signale in einem eigenen Herstellungsschritt "angeflanscht" werden.

Mark Reed, Professor für Elektroingenieurwesen und angewandte Physik, schuf nun zusammen mit seinem Team an der Yale University eine Methode, mit der Nanodraht-Sensoren in einer zur Halbleiterproduktion kompatiblen Art und Weise hergestellt werden. Diese lassen sich dann sofort mit anderen Bauteilen kombinieren, die zur Weiterverarbeitung verwendet werden. Das Endziel sind laut Reed besonders kompakte und vergleichsweise preiswerte Geräte.

Solche Detektoren wären deutlich kleiner als Optik-basierte Systeme, wie sie heute gebräuchlich sind. Auch wäre die Bedienung bedeutend einfacherer. Da die Technik ein elektrisches Signal misst, müssten die Zielsubstanzen nicht chemisch mit fluoreszierenden Molekülen markiert werden, die man dann durch schweres optisches Lesegerät begutachten muss. Tausender einzelner Detektoren könnten in einem einzigen tragbaren Gerät implementiert werden - und das Ergebnis erscheint nahezu sofort.

Reed und sein Team setzten bei der Produktion auf einen Prozess, der ähnlich auch beim Gestalten von Computerchips verwendet wird. Begonnen wird mit einem kommerziell erhältlichen Siliziumfilm, der auf einem nicht leitenden Material sitzt. Dann werden herkömmliche Produktionstechniken verwendet, um Linienmuster einzubringen. Diese so genannte Maske bestimmt, wo die Nanodrähte verlaufen. Anschließend wird das überschüssige Silizium, das nicht von der Maske bedeckt wird, weggeätzt. Obwohl die Maske nicht dünn genug ist, um tatsächlich Nanodrähte zu erzeugen, wird der Ätzungsprozess bis unter die Ränder der Maske fortgeführt. So gelang es, verschiedene Nanosensoren auf einem Chip anzulegen.

In ersten Experimenten wurden diese Sensoren zur Erkennung verschiedener Substanzen verwendet - darunter auch Antikörper. Dazu wurden die Nanodrähte zunächst mit Molekülen markiert, an die sich die Zielsubstanz anbinden kann. Ist diese vorhanden und eine Verbindung hergestellt, verändert sich die Leitfähigkeit der Nanodrähte, was zu einem entsprechenden elektrischen Signal führt. Da der menschliche Körper als Antwort auf Erkrankungen wie Krebs schnell geringe Mengen Antikörper bildet, könnte diese Technik auch für Frühtests verwendet werden.

Reed selbst kann derzeit noch nicht sagen, wann sein Verfahren tatsächlich in Produktion gehen kann. Lange soll es allerdings nicht mehr dauern: "Ich arbeite an einer ganzen Reihe von Projekten, deren Endergebnis ich zu meinen Lebzeiten nicht mehr sehen werde. Diese Technik sicherlich schon."

Übersetzung: Ben Schwan. (nbo)