Chemie Das Labor im Briefmarkenformat

Es ist drei Uhr morgens. Ich sitze in meinem Labor in der Universität Leipzig und drücke alle 15 Minuten dieselben Knöpfe: Ventil öffnen, Probe einspritzen, Messung starten. Zum hundertsten Mal heute. Irgendwann schlafe ich ein. Als ich aufwache, habe ich den wichtigsten Moment verpasst: Die Reaktion wurde gestoppt. Da wird mir klar: Mein Labor braucht eine automatische Steuerung.

Denkt man an die Werkzeuge von Chemiker:innen, kommen einem Reagenzgläser und Glaskolben in den Sinn. Das sind riesige Gefäße für winzige Teilchen. Dabei spielen sich chemische Reaktionen in unvorstellbar kleinen Dimensionen ab. So messen wir Bindungen zwischen Atomen in Ångström, dem zehnmillionsten Teil eines Millimeters. Wenn die Chemie also im Kleinen passiert, warum schrumpfen wir dann nicht auch das Labor?

Genau hier setzen wir im Feld der Mikrofluidik an. Sie ermöglicht es, chemische Prozesse auf kleinstem Raum durchzuführen. Dafür nutzen wir sogenannte Chips aus Glas oder Kunststoff, die so klein sind wie eine Briefmarke und auf einen gläsernen Objektträger passen. Ins Innere ätzen wir ein feines Netzwerk aus winzigen Kanälen, jeweils kaum dicker als ein menschliches Haar. Dabei setzen wir auch einen Laser ein, der die Struktur im Glasinneren vorbereitet. Durch dieses mikroskopische Röhrensystem leiten wir gezielt Chemikalien. Solche „Lab-on-a-Chip“-Systeme stecken heute schon in Schnelltests für verschiedene Krankheitserreger, simulieren Organe für Medikamententests oder sortieren Zellen für die Krebsforschung.

Genau solche Minilabore haben wir in Leipzig entwickelt. Sie vereinen zwei Schritte: Zum einen können chemische Reaktionen darin mit minimalen Mengen durchgeführt werden, zum anderen lässt sich direkt im Anschluss prüfen, wie gut das funktioniert hat. Im Rahmen unseres Projektes haben wir beispielhaft neuartige Katalysatoren getestet, effizient und ressourcenschonend.

Katalysatoren beschleunigen Reaktionen enorm und lassen sich im Idealfall vielfach wiederverwenden, da sie am Ende der Reaktion unverändert zurückbleiben. Viele solcher Prozessbeschleuniger basieren allerdings auf giftigen Schwermetallen. Wir haben daher umweltfreundliche Alternativen getestet. Dabei handelt es sich um metallfreie organische Varianten sowie Biokatalysatoren, bei denen natürliche Enzyme die Arbeit verrichten.

Für unsere Experimente füllen wir die winzigen Reaktorkanäle im Inneren der Chips mit Kügelchen aus Siliziumdioxid oder Kunststoff, kaum größer als Staub, auf denen die Katalysatoren fest verankert sind. Bereits wenige hundert Mikrogramm reichen aus, um verlässliche Daten zu gewinnen. Dann strömt die Reaktionsmischung kontinuierlich hindurch, sodass wir beobachten können, wie gut und dauerhaft der Katalysator arbeitet: Er soll möglichst viel Ausgangsstoff umwandeln, und das zuverlässig über Stunden hinweg.

Doch der Abschluss einer Reaktion ist das eine. Das andere ist: Man muss auch wissen, was dabei herauskommt. Um zu prüfen, ob die Reaktion erfolgreich war oder unerwünschte Nebenprodukte entstanden sind, nutzen Chemiker:innen häufig Trennmethoden wie die Chromatographie. Das Prinzip dahinter ist einfach: Die entstandene Produktlösung wird zusammen mit einem Lösungsmittel, der mobilen Phase, durch eine Säule mit feinen Partikeln gepresst, die stationäre Phase. Je nach ihren chemischen Eigenschaften, haften die einzelnen Bestandteile unterschiedlich lange an diesem Material und verlassen die Säule deshalb zeitversetzt und sauber voneinander getrennt.

Diese Trennmethode derart zu verkleinern, dass sie sich hinter dem Reaktor auf demselben Chip integrieren lässt, war die zentrale Herausforderung unserer Arbeit. Denn je kleiner und dichter die Partikel gepackt sind, desto besser ist zwar die Trennung, doch erhöht sich dabei auch der Druck, mit dem die Flüssigkeit hindurchgepresst wird. Gerade dafür ist der Glas-Chip ideal, denn er hält problemlos Drücken von mehreren hundert Bar stand. Der Grund: Die Kraft, die auf die kleinen Innenflächen einwirkt und das Glas sprengen will, bleibt verhältnismäßig gering. Zudem ist das Glas rund um die feinen Kanäle vergleichsweise dick.

Sobald die Reaktionsprodukte den Chip verlassen, strömen sie in das Massenspektrometer: Das Gerät hilft dabei, die einzelnen getrennten Komponenten anhand ihrer Masse und elektrischen Ladung zu vermessen und zu identifizieren. So entsteht für jeden Stoff ein individueller Fingerabdruck, anhand dessen wir genau wissen, was wir hergestellt haben.

Doch mit Reaktion und Analyse auf einem einzigen Chip war mein nächtliches Problem noch nicht gelöst. Die Verbindung beider Schritte auf so engem Raum ist eine logistische Herausforderung: Winzige Proben müssen vom Reaktor durch ein Labyrinth aus Kanälen dirigiert und an anderer Stelle auf dem Chip präzise zur Auftrennung freigegeben werden. Ein fein abgestimmtes Netzwerk aus Pumpen und Ventilen steuert dafür die Flüssigkeitsströme. Doch genau das führt zurück zu dem Dilemma, das mich anfangs wachgehalten hat. Ein Chip, der alles kann, nützt wenig, wenn der Mensch weiterhin jedes Ventil von Hand schalten muss.

Also programmierten wir im nächsten Schritt eine automatische Steuerung für dieses kleine Chip-Labor. Damit lief das Labor endlich von selbst. Ein Computer sendet rund um die Uhr Befehle: Wann öffnet welches Ventil? Wann beginnt die Messaufzeichnung? Was passiert, wenn ein Kanal verstopft? Diese Aufgaben erledigt die automatische Steuerung um ein Vielfaches präziser, als ein Mensch es je könnte, und hilft sogar noch bei der Auswertung. So wurden endlich Langzeitstudien möglich, in denen wir zeigen konnten, wie sich die Leistung eines Katalysators über mehrere Tage verändert, ohne einen Datenpunkt zu verpassen.

Der nächste Schritt ergab sich von selbst: Warum nur einen Katalysator ausprobieren, wenn auch zwei Reaktionen auf demselben Chip nebeneinander laufen könnten? So lassen sich zwei Bedingungen gleichzeitig vergleichen, etwa unterschiedliche Katalysatoren oder Lösungsmittel. Dieses Konzept erweiterten wir schließlich zu einem modularen Baukastensystem mit vielen Minireaktionskanälen. Das System spült, testet und analysiert automatisch Kanal für Kanal. So lassen sich im kleinen, sparsamen Maßstab bereits viele unterschiedliche Reaktionsbedingungen systematisch testen.

Solche skalierbaren Chip-Plattformen legen das Fundament für das Labor der Zukunft. Besonders vielversprechend ist das für die Wirkstoffsuche, bei der zahlreiche Katalysatoren und Bedingungen getestet werden müssen, um neue Medikamente zu entwickeln. Künftig können solche Minilabore womöglich sogar weitgehend selbstständig experimentieren: Eine Künstliche Intelligenz lernt aus jeder Messung, passt Parameter an und schlägt die nächsten Reaktionsbedingungen vor. So ließen sich Wochen an Arbeit und teure Chemikalien einsparen, während die Mikrofluidik das passende ressourcenschonende Werkzeug dazu liefert.

Das digitale Labor der Zukunft ist winzig. Und das Beste für mich persönlich: Es funktioniert, auch nachts und ohne mich. So kann ich endlich wieder ruhig schlafen, während mein Labor fleißig Überstunden macht.