Licht auf der Nanoskala bündeln
Forscher präsentieren winzige Linsen aus Nanoteilchen und DNA.
Konventionelle Linsen können Licht nur zu einem Volumen von etwa einem Femtoliter fokussieren, was einem Kubikmikrometer entspricht. Diese Einschränkung ist ein Ergebnis der Beugung, die konventionellen Linsen und verhindert etliche Anwendung im Bereich der Nanotechnologie. Die Forschergruppe um Philip Tinnefeld vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Technischen Universität Braunschweig, hat nun ein Verfahren entwickelt, bei dem Millionen von Nanolinsen aus metallischen Nanoteilchen und DNA parallel hergestellt werden. Diese Nanolinsen erlauben es, sogar einzelne Moleküle bis zu einhundertfach genauer zu untersuchen.
Abb.: DNA-Origami-Nanosäule (grau) immobilisiert auf einer Oberfläche. Zwei Gold Nanopartikel mit einem Durchmesser von 80 bis 100 Nanometer dienen als Antenne und fokussieren das Licht. Ein Fluoreszenzfarbstoff im Hotspot (rot) dient als optisch aktive Quelle. (Bild: TU Braunschweig)
Im Forschungsgebiet der Nanophotonik studieren Wissenschaftler das Verhalten von Licht in Dimensionen, die kleiner als die Wellenlänge der Strahlung sind. Es ist beispielsweise bekannt, dass ein Verbund aus zwei Gold-Nanoteilchen Licht auf eine Fläche fokussieren kann, die etwa tausendmal kleiner ist als bei konventionellen Linsen. Eine derart starke Fokussierung hat großes technologisches Potenzial, zum Beispiel für die Signalverarbeitung in optischen Computern, für ultra-empfindliche Nachweise in der Diagnostik oder auch für biotechnologische Anwendungen wie die DNA-Sequenzierung. Dabei besteht die Herausforderung darin, Gold-Nanoteilchen mit einer Größe im Bereich von 80 bis 100 Nanometer in definierten Abständen zu platzieren und die zu untersuchenden Moleküle genau in den aktiven „Hotspot“ zwischen den Partikeln zu bringen.
Dies veranlasste die Arbeitsgruppe von Philip Tinnefeld, nach einem neuen Ansatz zur Entwicklung von Nanolinsen zu suchen. Sie fanden ihn in der „DNA-Origami-Technik“. Dabei wird Erbmaterial, in diesem Fall von Viren, als Trägermaterial benutzt. DNA hat als Struktur im Nano-Bereich die Eigenschaft, sich in viele mögliche Formen falten zu lassen. Das Braunschweiger Forscherteam hat nun aus diesem Ausgangsmaterial eine Nano-Säule geformt. Spezifische Moleküle am Fuß der Säule ermöglichen die aufrechte Platzierung auf einem Deckglas. Diese DNA-Nanosäule dient als Gerüst, an dem die Nanopartikel (in diesem Fall Goldpartikel) angebracht sind. Nun werden winzige optische Quellen, wie etwa fluoreszierende Farbstoff-Moleküle, präzise zwischen diese Partikel gebracht. In diesem Moment beweist sich die Leistungsfähigkeit der Nano-Linse: Die Fluoreszenz der einzelnen Moleküle steigt um den Faktor hundert an.
Philip Tinnefeld beschreibt die Breite möglicher Anwendungen: „Das Licht lässt sich auf kleinste Volumen im Bereich von Zeptolitern konzentrieren. Wir werden dadurch einzelne Objekte mit verbessertem Signal und bei höheren Konzentrationen untersuchen können. Dies ist besonders für biologische Anwendungen bedeutsam, da viele relevante Prozesse wie zum Beispiel die DNA-Replikation erst bei höheren Konzentrationen effizient ablaufen.“ Darüber hinaus würden fundamentale physikalische Aspekte bezüglich der Wechselwirkung von Licht und Nanopartikeln zugänglich, da jetzt optische Quellen gezielt im Fokus der Nanolinse platzierbar seien, so der Forscher.
TUB / PH
