Gerührt, nicht geschüttelt

Magnetrührstäbchen im Nanomaßstab

12.07.2013 - Singapur

Wer schon mal in einem Labor gearbeitet hat, kennt sie: Magnetrührer, mit deren Hilfe magnetische Stäbchen in einer Flüssigkeit zum Rotieren gebracht werden und diese so rühren. Die Stäbchen, im Laborjargon als Rührfische bezeichnet, gibt es in vielen verschiedenen Größen - und nun auch im Nanomaßstab: Singapurer Forscher stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie Ketten aus 40 nm kleinen Eisenoxidpartikeln vor, die als weltkleinste Magnetrührfische Pikoliter-Emulsionstropfen effektiv mit einem kommerziellen Magnetrührer mischen können.

Für chemische und biologische Experimente ist effektives Durchmischen essenziell, meist mit von Magnetrührern und Rührfischen. Dies funktioniert allerdings nicht in den winzigen Kanälchen und Tröpfchen von Lab-on-Chip-Methoden und bei Mikroliter-Versuchen der Biowissenschaften. Auf dem Wunschzettel stehen daher kostengünstige Rührstäbchen, die klein genug, dabei aber immer noch in der Lage sind, die externe magnetische Energie aufzunehmen und effizient in eine Durchmischung der winzigen Volumina zu übersetzen.

Das Problem ist die geringe Größe bisheriger Mikro-Stäbchen: Sie sind zu groß, um suspendiert zu bleiben, denn sie werden aufgrund der Schwerkraft sowie der magnetischen Anziehung an den Boden des Gefäßes gezogen. Gleichzeitig sind sie zu klein, um die Flüssigkeit vollständig vom Boden aus zu rühren, was bei makroskopischen Rührfischen funktioniert. Der Haupteil bleibt unvermischt.

Das Team um Hongyu Chen von der Nanyang Technological University in Singapur hat nun eine Lösung für das Problem gefunden: winzige mit Siliziumdioxid ummantelte Stäbchen aus aneinander gereihten Eisenoxid-Nanopartikeln. Die Herstellung ist einfach. 40 nm große magnetische Eisenoxid-Nanopartikel werden mit Ölsäure stabilisiert, mit Zitronensäure modifiziert, um sie wasserlöslich zu machen, und in einer Wasser-Propanol-Mischung dispergiert. Nach Zugabe einer siliziumorganischen Verbindung sowie Ammoniak wird das Reaktionsgefäß in der Nähe eines Magneten einfach über Nacht stehen gelassen und die Stäbchen dann abzentrifugiert.

Über die Dicke der Siliziumschicht lässt sich die Breite der Stäbchen zwischen 75 nm und 1,4 µm einstellen, die Länge kann bis zu 17 µm betragen. Die Stäbchen sind damit so klein, dass sie in der Lösung suspendiert bleiben. Zugabe einer großen Zahl an Stäbchen stellt sicher, dass die gesamte Flüssigkeit gerührt wird. Die einzelnen Stäbchen bewegen sich im Magnetfeld einer konventionellen Magnetrührplatte unabhängig voneinander. So lassen sich sogar Tröpfchen von wenigen Pikolitern noch gut durchmischen.

Die Nano-Rührfischchen lassen sich einfach wieder entfernen. Dazu gibt man die Tröpfchen auf die Oberfläche eines starken Magneten, der in Plastikfolie gewickelt wurde. Das Magnetfeld zieht die winzigen Stäbchen dann nach und nach an den Boden der Tröpfchen. Der Tropfen lässt sich anschließend mit einer Pipette aufnehmen.