Verbessertes optisches Mikroskop versieht Molekül-Aufnahmen mit Farbe Alpenglühen unter dem Mikroskop - scinexx | Das Wissensmagazin
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Verbessertes optisches Mikroskop versieht Molekül-Aufnahmen mit Farbe

Alpenglühen unter dem Mikroskop

Kein Gebirge, sondern eine Moleküllandschaft mit fünf Brillantkresylblau-Molekülen zeigt dieses rastertunnelmikroskopische Bild des TERS-Mikroskops. © Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

Klassische Rastertunnelmikroskope liefern überaus scharfe Bilder von Atomlandschaften, leider aber nur in schwarz-weiß: Ein Atom sieht darin aus wie das andere. Optische Mikroskope dagegen unterscheiden Stoffe mithilfe von deren Farbspektrum, können aber bisher einzelne Atome oder einzelne Moleküle überhaupt nicht unterscheiden. Das neue optische TERS-Mikroskop erreicht nun eine Auflösung, die für optische Mikroskope lange als undenkbar galt. Es bildet einzelne Moleküle mit Hilfe ihres abgestrahlten Ramanlichtes ab und versieht sie mit Farbe.

Seine Auflösung von 15 Nanometer ist mit der von Rasterkraftmikroskopen vergleichbar. Das ist der Neuerung der Forscher zu verdanken: Wie sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichten, wird der Lichtstrahl des Mikroskops mit Hilfe eines Parabolspiegels und einer sehr scharfen Goldspitze gebündelt und beleuchtet so den kleinstmöglichen Ausschnitt ihrer Probe.

Wenn der Max-Planck-Physiker Bruno Pettinger vom Fritz-Haber-Institut an seinem Rechner eine seiner Mikroskop-Aufnahmen betrachtet, erinnert das Bild ein klein wenig an ein alpine Landschaft. Das dreidimensionale Bild zeigt eine zerklüftete Ebene mit mehreren scheinbar schneebedeckten Bergen. Nur sind es keine Berge, sondern verstreute Moleküle des Farbstoffs Brillantkresylblau auf einer Gold-Oberfläche. Solche Aufnahmen von Rastertunnelmikroskopen kennt man zuhauf, neu ist allerdings, dass eine solche Messung noch ein weiteres Bild liefert. Es zeigt das Leuchten der Moleküle.

Moleküle an Hand des Ramanspektrums identifiziert

Mit den Farben dieses Lichts, dem so genannten Ramanspektrum, bestimmt Pettinger welches Molekül wo sitzt – so als nenne er die einzelnen Berge beim Namen. Die Auflösung dieser Spektroskopie haben die Forscher in ihrem Mikroskop auf 15 Nanometer verbessert und damit erstmals auf direktem Weg einzelne Moleküle an Hand ihres Ramanspektrums identifiziert.

In Zukunft könnte diese Technik beispielsweise Nanoteilchen abbilden, die die Oberfläche von Katalysatoren bevölkern und dort fremde Moleküle einfangen. Mit einem Bild der unterschiedlichen Gestalten dieser Teilchen und der an ihnen haftenden Moleküle lässt sich ermitteln, wie ihre katalytischen Eigenschaften entstehen.

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Neues Mikroskop nutzt Vorteile von zwei Techniken

Die Intensität des Ramansignals eines einzelnen Brillantkresyl-Moleküls (auf einer Fläche von 12 x 12 Nanometern). Aus dem Ramansignal ermitteln die Forscher das Farbspektrum des Moleküls und können so, wenn nötig, die Art des Moleküls bestimmen. © Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

Derzeit verfügbare optische Mikroskope geben mit wenigen, noch unausgereiften Ausnahmen neben der Art nicht gleichzeitig den Ort der Moleküle an. So kann man mit der bisherigen Ramanspektroskopie zwei verschiedene, benachbarte Moleküle nicht unterscheiden, selbst wenn sie 200 Nanometer (nm) von einander entfernt sind. Im Landschaftsbild würde das bedeuten: Die einzelnen Gipfel im Gebirge wären zu verschwommen, um sie auseinanderzuhalten. Die Aufnahme würde eine kaum strukturierte, große Ebene in einer Mischfarbe zeigen. Im Gegensatz dazu könnte ein klassisches Rastertunnelmikroskop sogar einzelne Felsbrocken – also Atome – abbilden, aber eben alle nur in grau. Welche Elemente darin vorkommen, geben die Steine nicht preis.

Das Mikroskop der Arbeitsgruppen um Alfred Meixner an der Universität Tübingen und Pettinger verknüpft die Vorteile beider Techniken. Die beiden Forschungsteams arbeiteten allerdings zunächst unabhängig voneinander. Bei einem Besuch im Labor tauschten die befreundeten Wissenschaftler ihre Ideen aus und kamen schließlich zu ähnlichen Ergebnissen mithilfe von Parabolspiegeln statt Linsen. „Es ist praktisch, dass wir eine zeitlang Konkurrenten waren“, sagt Meixner. „Das Prinzip hat in beiden Laboren funktioniert. So wissen wir, dass es hält, was es verspricht.“

Goldspitzen als Hilfsmittel

Das erwähnte Prinzip kombiniert die beiden Techniken der Rastertunnelmikroskopie und der Ramanspektroskopie (Tip Enhanced Raman Scattering, TERS) – mit einer belichteten, scharfen Spitze. In Rastertunnelmikroskopen tastet die Metallnadel die Oberfläche der Probe ab, in TERS-Mikroskopen verstärkt sie die erwünschten optischen Effekte. Die Forscher haben zu diesem Zweck sehr feine Goldspitzen hergestellt, deren Durchmesser etwa 15 Nanometer, weniger als ein Tausendstel eines menschlichen Haares, beträgt.

Für das Höhenprofil der Probe fährt die Goldspitze die Struktur der Oberfläche wie in einem Rastertunnelmikroskop nach. Sobald sie eine Erhebung, also ein Molekül, ausfindig gemacht hat, kommt die Neuerung der Tübinger und Max-Planck-Forscher ins Spiel. Denn die Ramanstreuung ist sehr schwach. Für ein auswertbares Signal von nur einem Molekül muss sie enorm verstärkt werden. Dafür fokussieren die Forscher Laserstrahlen mit einem parabelförmigen Hohlspiegel perfekt auf die Nadel.

Das elektromagnetische Feld der Strahlen wird dabei entlang der Spitze ausgerichtet und versetzt die Ladungsträger in Metallspitze und Probenoberfläche in Schwingung. Die Spitze ist nur einen Nanometer von der Probe entfernt, sodass sich das Licht auf einen extrem kleinen Raum im Spalt konzentriert. Nicht nur die Goldspitze leuchtet dann, sondern auch die Erhebungen auf der Oberfläche direkt darunter. Dort erzeugen Moleküle eine millionenfach stärkere Ramanstrahlung als weiter von der Spitze entfernt.

Beugungsgrenze überlistet

Die leuchtende Goldnadel im Mikroskop wirkt wie eine Antenne. Die Laserstrahlen regen ihre extrem scharfe Spitze an, Lichtwellen einer Frequenz auszusenden. Auf dem Weg durch den Spalt zwischen Spitze und Probenoberfläche werden die Wellen allerdings von kleinen Hindernissen gestört: den Molekülen, die auf der Probenoberfläche sitzen. Sie zapfen den Wellen ganz bestimmte Energiemengen ab, um selbst zu schwingen und hinterlassen dabei eine Art chemischen Fingerabdruck in den Strahlen. Dieses Phänomen nennt man Ramanstreuung.

Der Parabolspiegel sammelt den größtmöglichen Teil der gestreuten Strahlung rund um den Spalt ein. Die Forscher können sich nun ans Auswerten machen und die bislang unbekannten Stoffe unter ihrem Mikroskop an Hand des Ramanspektrums identifizieren.

30-mal höhere Auflösung

Mit dem TERS-Mikroskop erreichen die Forscher eine 30-mal höhere Auflösung als klassische, beugungslimitierte optische Mikroskope, die Lichtstrahlen etwa mit Linsen bündeln. Für letztere ist die Auflösung auf die Größe einer halben Wellenlänge des Lichtes begrenzt, hier wären das etwa 300 nm. Dies galt lange Zeit als absolute Obergrenze der Auflösung von Lichtmikroskopen. Die Auflösung des TERS-Mikroskops wird hier allerdings anders begrenzt, nämlich von der Größe der verwendeten Goldspitze. So wird die Beugungsbegrenzung überlistet, da die einzelnen Bildpunkte nicht direkt durch Licht abgebildet werden, sondern durch das Rastern der Goldspitze über die Oberfläche.

Wegen seiner hohen Auflösung und Nachweisempfindlichkeit ist diese Art der Mikroskopie nicht nur für die Untersuchung von Katalysatoren interessant, sondern beispielsweise auch für die Sequenzierung von DNA oder für die Abbildung von Nanostrukturen in Halbleitern. Die Auflösung ihres TERS-Mikroskops wollen Pettinger und Meixner weiter verbessern, indem sie noch schärfere Spitzen verwenden. „Mit Hilfe unseres TERS-Mikroskops werden wir auch Forschungen in dem noch jungen, aber äußerst interessanten Gebiet der Einzel-Molekül-Spektroskopie vorantreiben“, sagt Pettinger.

(idw – MPG, 24.06.2008 – DLO)

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