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15.05.2014, 23:59 Uhr | 0 |

Analysetechnik musikalisch genutzt Die Wassermusik aus dem Forschungslabor

Die Musikwelt ist um ein Instrument reicher: Wissenschaftler aus Darmstadt haben eine Methode entwickelt, um Wassertröpfchen zum Klingen zu bringen und ihre Frequenz beim Fluss durch ein enges Rohr in mess- und steuerbare Töne umzuwandeln. Statt auf den Bühnen dieser Welt bleibt das neue Instrument aber voraussichtlich in den Labors: Die Methode lässt sich auch in der Medizin einsetzen.

Mikrofluidik-Chip
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Mit welcher Frequenz Wassertröpfchen durch die Kanäle eines Mikrofluidik-Chips fließen, können Göttinger Max-Planck-Forscher präzise steuern. Der Chip ist ein etwa neun Quadratzentimeter großer, durchsichtiger Kunststoffblock, durch den dünne Röhrchen verlaufen. Durch die vier transparenten Schläuche wird Öl und Wasser in die Röhrchen gedrückt. Um die Bewegungen der Tröpfchen zu kontrollieren, legten die Forscher ein elektrisches Feld an den Chip an. Die Elektroden sind als gelbe Linien zu sehen, die roten und schwarzen Kabel sind die Stromleitungen. Die Frequenz der Tröpfchen wandelten die Forscher in Töne um.

Foto: MPI für Dynamik und Selbstorganisation

Wassertröpfchen lassen sich mithilfe von Wechselstrom so genau kontrollieren, dass sie Musik erzeugen können: Das haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen jetzt herausgefunden. Um die Frequenz, mit der die Tropfen durch enge Röhrchen fließen, in messbare Töne zu verwandeln, nutzen die Wissenschaftler einen Mikrofluidik-Chip von rund drei mal drei Zentimetern Kantenlänge. Solche Chips tragen auf wenigen Quadratzentimetern quasi ein ganzes Labor auf sich und werden seit wenigen Jahren zunehmend in der Analytik eingesetzt.

Präzise Steuerung durch Wechselstrom

Durch die dünnen Röhrchen des Chips lassen sie ein Wasser-Öl-Gemisch fließen und setzen es unter Strom. Da sich das Wasser und das Öl nicht vermischen, schwimmt das Wasser in Form von Tropfen im Öl. Die Größe und Menge dieser Tropfen lässt sich sehr genau steuern, entdeckten die Wissenschaftler: und zwar mithilfe von Wechselstrom. Je nach Höhe der Spannung entstehen verschieden viele und demnach unterschiedlich große Wassertropfen, die pro Sekunde durch die Röhrchen fließen. Bei zum Beispiel 100 Volt entstehen weniger und größere Tropfen als bei 1.000 Volt. Das geht soweit, dass die Tröpfchen nur noch wenige Mikrometer groß und nur unter dem Mikroskop erkennbar sind. Diese unterschiedlichen Tropfenfrequenzen wandeln die Forscher in Töne um. Dabei nutzen sie den Umweg über das Licht, wie sie in der Online-Fachzeitschrift Scientific Reports erläuterten.

Frequenz wird durch Laserbeschuss sichtbar

Das wiederum funktioniert, indem die Wissenschaftler die unter Spannung stehende Flüssigkeit in den Röhrchen mit einem fluoreszierenden Stoff versetzen und sie mit Laser beleuchten. Die Tropfen reflektieren das Licht, womit auch ihre Frequenz sichtbar wird. Das reflektierte Licht trifft auf einen Photovervielfacher, der so empfindlich ist, dass er auch noch schwächste Lichtsignale bis hin zu einzelnen Photonen in elektrische Signale umsetzen kann. Diese werden an eine Soundkarte weitergeleitet und so hörbar gemacht.

Wie präzise sich die Frequenz der Wassertropfen mithilfe der Spannung steuern lässt, demonstrierten die Forscher, indem sie mit ihrem neuen „Musikinstrument“ Beethovens „Ode an die Freude“ spielten. Die Melodie war gut erkennbar, wenngleich nicht vollkommen sauber intoniert: Zum einen braucht die elektrische Spannung etwas Zeit, um einen neuen Wert anzunehmen; die Töne fließen also mit einer leichten Verzögerung ineinander. Zum anderen folgen die Tröpfchen aufgrund der Eigenschaften des Mikrofluidik-Chips nicht immer im exakt gleichen Abstand aufeinander, was sich in Abweichungen von etwa fünf Prozent – entsprechend einem Halbton – bemerkbar macht.

Wertvolle Erkenntnisse für die medizinische Diagnose-Forschung

Wahrscheinlicher als eine Bühnenkarriere ist für das neue Verfahren jedoch der Einsatz in medizinischen Labors. Derzeit werden bereits Diagnosemethoden mithilfe von Mikrofluidik-Chips getestet. Dabei werden Proben von Patienten untersucht, indem man Zellen oder sogar DNA in winzige Wassertropfen in dem Wasser-Öl-Gemisch einschließt. Die Bewegung der Tröpfchen muss sehr genau kontrolliert werden, um ihren Inhalt zum Beispiel nach verschiedenen Kriterien zu sortieren. Dass dies mit elektrischer Spannung geht, haben die Forscher des Max-Planck-Instituts mit ihrem Musik-Projekt eindrucksvoll bewiesen und so einen wichtigen Schritt bei der Weiterentwicklung des medizinischen Chiplabors gemacht. Ein wichtiges Detail bei ihren Erkenntnissen ist, dass sich mit Hilfe von Strom sehr viele Tröpfchen auf einmal kontrollieren lassen. Hilfreich ist das vor allem in der Krebs-Früherkennung, in der unter anderem relevant ist, wie viele Zellen des Patienten bereits mutiert sind.

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Von Judith Bexten
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