07.11.2022 - Harvard University

Giftstoffkonzentrationen mit bloßem Auge erkennen

Neuer Test detektiert Verbindungen für Krankheitsdiagnostik und Umweltüberwachung

Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben ein schnelles und kostengünstiges Verfahren entwickelt, um Flüssigkeiten auf eine allgegenwärtige Familie chemischer Verbindungen zu testen, die als Amphiphile bekannt sind und zur Erkennung von Krankheiten wie Tuberkulose und Krebs im Frühstadium sowie zum Nachweis von Toxinen in Arzneimitteln, Lebensmitteln, medizinischen Geräten und der Wasserversorgung verwendet werden.

Der heutige Goldstandard für den Test auf Endotoxine, eine häufige Art von Amphiphoren, die das Wasser verunreinigen und zu schweren Erkrankungen und zum Tod führen können, erfordert die Verwendung von Verbindungen, die nur im Blut von Hufeisenkrebsen vorkommen - was das Verfahren teuer und unhaltbar macht. Billige Alternativen sind nicht annähernd empfindlich genug, um Amphiphile in aussagekräftigen Mengen nachzuweisen.

Der neue Test, der von Joanna Aizenberg, der Amy Smith Berylson Professorin für Materialwissenschaften und Professorin für Chemie und Chemische Biologie am SEAS, und Xiaoguang Wang, einem ehemaligen Postdoktoranden in Aizenbergs Labor und jetzt Assistenzprofessor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der Ohio State University, entwickelt wurde, verwendet rollende Tröpfchen auf mikrostrukturierten Oberflächen, um Amphiphile in ultraniedrigen Konzentrationen nachzuweisen.

Das Forscherteam demonstrierte die Technik zum Nachweis von pathogenen amphiphilen Endotoxinen in Wasser, also von Verbindungen, die selbst in extrem niedrigen Konzentrationen giftig sein können.

Die mikrostrukturierte Oberfläche besteht aus Tausenden von kreisförmigen Mikropillaren, die gleichmäßig mit selbstorganisierten langschwänzigen Molekülen beschichtet sind, wodurch eine glatte, reibungsfreie Grenzfläche entsteht, mit Ausnahme der Kanten der Mikropillare. Hier gibt es Lücken in der Beschichtung - wie molekulare Schlaglöcher. Wenn ein Tröpfchen über die Oberfläche rollt und keine amphiphilen Moleküle hat, trifft es auf ein Schlagloch und bleibt stehen, weil es die Reibung der ungeordneten Kante nicht überwinden kann.

Ein Tröpfchen mit einem höheren Gehalt an amphiphilen Molekülen rollt jedoch weiter, weil sich amphiphile Moleküle mit langschwänzigen Molekülen zusammenschließen und die Lücken in der Oberfläche füllen - wie ein Straßenfertiger, der die Oberfläche einer Straße glättet. Im Fall von Endotoxinen verbinden sich die amphiphilen Moleküle, die sich auf der Oberfläche ablagern, mit anderen amphiphilen Molekülen im Tröpfchen und bilden immer größere Verbindungen, die das Tröpfchen schließlich verlangsamen und stoppen. Die Stelle, an der das Tröpfchen auf der Oberfläche zum Stehen kommt, gibt Aufschluss darüber, wie viele Schlaglöcher es geflickt hat, und damit über die Konzentration der Amphiphile.

"Unsere Oberflächen bieten eine schnelle und tragbare Methode zum Nachweis von Amphiphoren in Tröpfchen, die man mit bloßem Auge sehen kann", so Aizenberg. "Es gibt keine anderen Methoden, mit denen man so niedrige Konzentrationen nachweisen kann, wie wir sie in unseren Tests sehen, ohne teure oder komplizierte Geräte zu verwenden.

Die Forscher entwickelten auch ein Modell, um vorherzusagen, wie verschiedene amphiphile Verbindungen in unterschiedlichen Konzentrationen mit der strukturierten Oberfläche interagieren würden. Durch Veränderung der Größe, der Form und des Abstands zwischen den Säulen sowie der molekularen Beschichtung kann die Oberfläche so eingestellt werden, dass bestimmte Arten von Amphiphilen in bestimmten Konzentrationen nachgewiesen werden können.

"Unsere Methode ist allgemein auf jede Art von Amphiphil anwendbar", so Wang. "Mit dieser allgemeinen Methode können wir bereits Endotoxine in Konzentrationen nachweisen, die für Wasserqualitätstests relevant sind, aber der Test kann auch weiter optimiert werden, um noch niedrigere Konzentrationen zu erkennen."

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