04.05.2018

Höhere Auflösung mit Quantenpunkten

Gleitende Nanosonden erleichtern die Vermessung optischer Nahfelder.

Die Auflösung konven­tioneller optischer Mikr­oskopie ist durch das funda­mentale physika­lische Prinzip der optischen Beugung auf etwa die halbe Wellen­länge des Lichts begrenzt. Wissen­schaftler weltweit haben deshalb in der Vergan­genheit ausge­klügelte Konzepte entwickelt, um das Beugungs­limit zu umgehen und somit die Auflösung zu erhöhen. Der dafür notwendige technische Aufwand ist jedoch erheblich und benötigt in der Regel hochspezia­lisierte Mikroskop-Aufbauten. Insbe­sondere die Vermessung optischer Nahfelder, welche so stark lokalisiert sind, dass sie keine Wellen zu einem weit entfernten Detektor schicken können, stellt nach wie vor eine große Heraus­forderung dar.

Abb.: Künstlerische Darstellung mehrerer Mikrotubuli, die durch das optische Nahfeld (blau) einer nanostrukturierten Goldoberfläche gleiten. Die an den Mikrotubuli befestigten Quantenpunkte (grün) reagieren auf das lokale Feld indem sie verstärkt fluoreszieren. (Bild: H. Groß)

Physiker der Julius-Maxi­milians-Univer­sität Würzburg und der Tech­nischen Univer­sität Dresden zeigen nun, dass es möglich ist, diese Nahfelder mit einem deutlich geringeren Aufwand zu vermessen. Sie haben dafür viele extrem kleine optische Nano-Sonden mithilfe eines biomole­kularen Transport­systems über eine Oberfläche gleiten lassen. „Wir haben als Sonden Quanten­punkte verwendet – wenige Nanometer kleine fluores­zente Partikel“, schildert Bert Hecht die Vorgehens­weise. Gemeinsam mit Stefan Diez vom Center for Molecular Bioengi­neering der TU Dresden hat er die Arbeiten geleitet.

Motor­proteine und Mikro­tubuli sorgen dafür, dass die Quanten­punkte über das zu unter­suchende Objekt wandern. „Diese beiden Elemente gehören zu den funda­mentalen Bestand­teilen eines intra­zellulären Transport­systems“, erklärt Diez. „Mikro­tubuli sind röhren­förmige Protein­komplexe, die mit einer Länge von bis zu mehreren zehntel Millimetern ein wichtiges Straßen­system im Inneren mensch­licher Zellen bilden. Motor­proteine laufen entlang dieser Strecken und können dabei intra­zelluläre Lasten von einem Ort zu einem anderen trans­portieren“, so der Wissen­schaftler. Dieses Konzept haben sich die Forscher zunutze gemacht, allerdings in umge­kehrter Anordnung: „Die Motor­proteine werden auf der Oberfläche der Proben fixiert und reichen die Mikro­tubuli über sich hinweg – sozusagen ein ‚Stagediving‘ mit Biomo­lekülen“, sagt Heiko Groß, Doktorand in der AG Hecht. Die Quanten­punkte, die als optische Sonden dienen, werden dabei an die Mikro­tubuli gebunden und bewegen sich mit ihnen mit.

Da es mit einem einzelnen Quanten­punkt sehr lange dauern würde, einen großen Oberflächen­abschnitt zu untersuchen, haben die Forscher große Mengen solcher Quantenpunkte und Motor­proteine verwendet. Damit bewegen sich viele Quanten­punkte gleich­zeitig und tasten so eine große Fläche in kurzer Zeit ab. „Auf diese Weise können wir lokale Licht­felder groß­flächig mit einer Auflösung von weniger als fünf Nanometer auf einem einfachen optischen Mikro­skop vermessen“, erklärt der Physiker. Diese Methode testeten die Forscher auf einer dünnen Goldschicht, die mit schmalen Schlitzen mit einer Breite von weniger als 250 Nanometern versehen war. Diese Schlitze haben sie von unten mit blauem Laserlicht beleuchtet. „Licht, das durch diese schmalen Spalte tritt, ist auf die Spalt­breite einge­schränkt und damit ideal, um eine hochauf­gelöste optische Mikro­skopie zu demonstrieren“, so Groß.

Während der Messung gleitet ein Gewimmel von Mikro­tubuli gleich­zeitig in verschie­dene Richtungen über die Ober­fläche der Goldschicht. Mit einer Kamera kann in definierten zeit­lichen Inter­vallen die Position von jedem trans­portieren Quanten­punkt exakt bestimmt werden. Wenn sich nun ein Quanten­punkt durch das optische Nahfeld der Spalte bewegt, leuchtet dieser als optischer Sensor stärker auf. Da der Durchmesser des Quanten­punkts nur wenige Nanometer beträgt, lässt sich die Licht­verteilung innerhalb des Schlitzes äußerst präzise bestimmen und somit das Beugungs­limit umgehen.

Ein weiterer Clou dieser neuar­tigen Methode besteht darin, dass sich ein Mikro­tubulus aufgrund seiner Länge und Festig­keit äußerst geradlinig und vorher­sagbar über die motorbe­schichtete Proben­fläche bewegt. „Dadurch ist es möglich, die Position der Quanten­punkte zehn Mal genauer zu bestimmen als bei bisher etablierten höchst­auflösenden Mikroskopiemethoden“, erklärt Jens Ehrig vom Center for Molecular and Cellular Bioen­gineering der TU Dresden. Auch können auf diese Weise Störungen ausge­schlossen werden, die durch Artefakte aufgrund einer Nahfeld-Kopplung entstehen. Da das Transport­system nur aus wenigen Molekülen besteht, ist auch dessen Einfluss auf das Nahfeld vorteil­hafter­weise vernach­lässigbar.

Die Forscher hoffen, mit ihrer Idee eine neue Techno­logie im Bereich der Oberflächen­mikroskopie etablieren zu können. Sie sind jedenfalls überzeugt: „Besonders bei der optischen Über­prüfung von nanostruk­turierten Oberflächen kann diese Art der Mikro­skopie ihre Stärken ausspielen.“ In einem nächsten Schritt wollen sie jetzt dieses mole­kulare Transport­system in der Grundlagen­forschung verwenden, um Quantenpunkte gezielt mit präpa­rierten optischen Nahfeldern zu koppeln und deren Wechsel­wirkung zu studieren.

TU Dresden / JOL

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