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30.10.2012

Fluoreszierende pH-empfindliche Nanopartikel zeigen Bakterienwachstum an


Verdorbene Lebensmittel sind eine erhebliche Gefahr für unsere Gesundheit. Entsprechend streng muss die Lebensmittelindustrie ihre Produkte auf Bakterien überwachen, der Einfluss von Produktions- und Lagerbedingungen auf das Wachstum von Keimen muss erforscht werden. Regensburger Forscher stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt eine neue Methode vor, mit der das Bakterienwachstum verfolgt werden kann: Die Fluoreszenz von Nanopartikeln, die in ein Agarose-Nährmedium eingebettet wurden, ändert sich deutlich, wenn sich der pH-Wert aufgrund des bakteriellen Stoffwechsels ändert. Dies kann mit einer einfachen Digital-Kamera live verfolgt werden.

Xu-dong Wang, Robert J. Meier und Otto S. Wolfbeis von der Universität Regensburg haben dazu ein recht einfaches, allgemein anwendbares Verfahren zur Herstellung von Nanosensoren entwickelt. Ein biokompatibles Polymer mit wasserfreundlichen (hydrophilen) und wasserabweisenden (hydrophoben) Domänen wird in Wasser gegeben; ist die Konzentration richtig gewählt, bilden sich stabile Mizellen mit einem relativ hydrophoben Kern, während die äußere Schicht eher hydrophil ist. Die Forscher betteten zwei verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe in diese Mizellen. Der erste ist ein wasserabweisender Fluoreszeinfarbstoff. Er leuchtet grün bei Anregung mit einer Leuchtdiode und reagiert empfindlich auf eine Änderung des pH-Wertes. Der zweite, ein Farbstoff mit pH-unabhängiger roter Fluoreszenz, dient als interne Referenz. Diese Nanosensoren wurden in für Bakterienkulturen übliche Nährstoff-haltige Agarose gemischt und diese in Petrischalen gegossen, wo sie zu einem Gel erstarrt.

Im Ausgangszustand ist der pH so gewählt, dass der grüne Farbstoff nicht fluoresziert, nur die rote Fluoreszenz der Referenz ist zu erkennen. Wird eine Probe aufgegeben, die Bakterien enthält, beginnen diese, sich zu vermehren. Ihr Stoffwechsel sorgt dafür, dass der pH-Wert des Mediums steigt. Mit zunehmendem pH-Wert beginnen die Nanopartikel immer stärker grün zu leuchten, während die rote Fluoreszenz weiter konstant bleibt. Die Strahlungen lassen sich einfach vom Rot- bzw. Grünkanal gängiger Digital-Kameras detektieren. Es wird aufgezeichnet, wie sich das Verhältnis der grünen zur roten Fluoreszenz mit der Zeit ändert. Dies spiegelt das Wachstum der Bakterien wider.

Die Nanopartikel sind nicht-toxisch und treten nicht aus dem Agarose-Gel aus, sodass sie nicht von den Bakterien aufgenommen werden. Daher stören sie, anders als manche anderen Sensoren, das bakterielle Wachstum nicht. Die Messungen sind unproblematisch: Da nur das Verhältnis der grünen Farbe zur roten Referenz beurteilt wird, spielen Schwankungen bei der Detektion keine Rolle. Durch Verwendung konventioneller Petrischalen statt kleinformatiger Mikrotiterplatten und bildgebender Verfahren statt pH-Elektroden ist auch eine räumliche Auflösung des Bakterienwachstums möglich.

Die neuen Sensoren könnten in Zukunft beispielsweise zusammen mit einem Barcode in Lebensmittelverpackungen integriert werden, um die Frische von Lebensmitteln anzuzeigen.

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Quelle: Angewandte Chemie




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