05.09.2019

Feinfühlige Fluoreszenz

Fluoreszenz-Mikrokopie ermöglicht die Messung von Angström-Distanzen.

Forscher der Universität Göttingen haben ein neues Verfahren entwickelt, das die speziellen Eigenschaften von Graphen nutzt, um mit fluoreszierenden Molekülen elektro­magnetisch zu interagieren. Mit diesem Verfahren können Wissenschaftler erstmals extrem kleine Distanzen in der Größen­ordnung von 1 Angström genau und reproduzierbar optisch messen. Das Team bestimmte so die Dicke von Lipid-Doppelschichten, dem Stoff, der die Membranen lebender Zellen bildet. 
 

Abb.: Bild von einzelnen Molekülen auf dem Graphen­blatt. Der Vergleich mit...
Abb.: Bild von einzelnen Molekülen auf dem Graphen­blatt. Der Vergleich mit dem erwarteten Bild (rechts) zeigt eine ausgezeichnete Über­einstimmung. (Bild: U. Göttingen)

Das Forschungsteam unter der Leitung von Jörg Enderlein verwendete ein einziges Graphenblatt, nur eine Atomschicht dick (0,34 Nanometer), um die Emission von fluoreszierenden Molekülen zu variieren, wenn sie sich dem Graphenblatt näherten. Die ausgezeichnete optische Transparenz von Graphen und seine Fähigkeit, die Emission der Moleküle durch den Raum zu beeinflussen, machten es zu einem äußerst empfindlichen Werkzeug zur Messung der Entfernung einzelner Moleküle vom Graphenblatt. 

Die Methode ist so genau, dass selbst kleinste Abstandsänderungen von etwa einem Angström aufgelöst werden können. Dies konnten die Wissenschaftler zeigen, indem sie einzelne Moleküle über einer Graphenschicht absetzten. Sie konnten dann ihre Entfernung bestimmen, indem sie deren Licht­emission vermaßen und auswerteten. Dieses Vorgehen bietet ein äußerst empfindliches und präzises „Lineal" für die Bestimmung einzelner Molekülpositionen im Raum. Mit diesem Verfahren wurde die Dicke von einzelnen Lipid­doppel­schichten gemessen, die aus zwei Schichten von Fettsäure­ketten­molekülen bestehen und eine Gesamtdicke von nur wenigen Nanometern aufweisen. 

„Unser Verfahren hat ein enormes Potenzial für die Super­auflösungs­mikroskopie, da es uns ermöglicht, einzelne Moleküle mit Nano­meter­auflösung nicht nur lateral wie bei früheren Verfahren, sondern auch mit ähnlicher Genauigkeit entlang der dritten Richtung zu lokalisieren, was eine echte dreidimensionale optische Abbildung auf der Längenskala von Makromolekülen ermöglicht", sagt Arindam Ghosh, Erstautor der Studie.

„Dies wird ein leistungsfähiges Werkzeug mit zahlreichen Anwendungen sein, um Entfernungen mit Sub-Nanometer-Genauigkeit in einzelnen Molekülen, molekularen Komplexen oder kleinen zellulären Organellen aufzulösen", ergänzt Enderlein, korrespondierender Autor und Leiter des dritten physikalischen Instituts (Biophysik), an dem die Arbeit geleistet wurde. 

U. Göttingen / DE
 

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