Lichtmikroskop ohne Licht

Ein neuartiges optisches Mikroskop macht Objekte auch ohne Beleuchtung sichtbar.

Die Lichtmikroskopie hat in den letzten Jahren erstaunliche Fortschritte gemacht. So ist es mit Hilfe der optischen Nahfeldmikroskopie gelungen, die Auflösungsgrenze, die für herkömmliche Lichtmikroskope bei etwa 200 nm liegt, auf wenige Nanometer herabzudrücken. Dabei benutzt man die abklingenden Wellen im optischen Nahfeld einer extrem feinen, beleuchteten Glasfaserspitze, die normalerweise nicht zur Abbildung beitragen. Diese Wellen werden vom Objekt in das Fernfeld gestreut und dort detektiert. Rastert man mit der Spitze das Objekt ab, so erhält man ein Bild, auf dem nanometergroße Details sichtbar sind.

Im Idealfall ist die Lichtquelle des Nahfeldmikroskops ein einzelnes Farbstoffmolekül oder ein Nanoteilchen, das auf der Glasfaserspitze sitzt und zum Leuchten angeregt wird. Doch dann zeigt es sich, dass das zu untersuchende Objekt auf die Nanolichtquelle zurückwirkt und deren optische Eigenschaften verändert. Diese Tatsache haben Vahid Sandoghdar von der ETH Zürich und seine Mitarbeiter ausgenutzt, um mit ihrem neuartigen Lichtmikroskop Objekte abzubilden, ohne sie zu beleuchten oder von ihnen Licht zu empfangen. Was zunächst widersinnig klingt, funktioniert in der Praxis erstaunlich gut.

Das zu untersuchende Objekt (sample) wirkt auf das Nonteilchen (gold particle) ein und verändert deren optische Eigenschaften. Das lässt sich zur Bildgebung ausnutzen. (Quelle: Kalkbrenner et al.)

Die Forscher befestigten ein etwa 100 nm großes Goldteilchen an einer Glasfaserspitze (Abb.). Wurde das Teilchen mit fokussiertem Licht von 500 nm bis 700 nm Wellenlänge beleuchtet, dann begannen seine Leitungselektronen zu schwingen. Es wurden Plasmaschwingungen oder Plasmonen angeregt, die wiederum Licht abstrahlten. Dieses Streulicht wurde mit einem Mikroskop aufgefangen und ausgewertet. Sein Spektrum hatte ein breites Maximum. Die Position, die Höhe und die Breite dieses Peaks waren charakteristisch für das Nanoteilchen. Da diese charakteristischen Größen nahezu unabhängig von der Polarisation des eingestrahlten Lichtes waren, konnten die Forscher davon ausgehen, dass das Nanoteilchen in guter Näherung kugelförmig war. Das vereinfachte die weiteren Berechnungen erheblich.

Wurde das Goldteilchen in die Nähe des zu untersuchenden Objekts gebracht, dann verstimmten sich die Plasmonen, und ihre charakteristische Frequenz und Linienbreite veränderte sich. Das Nanoteilchen spürte gewissermaßen das Objekt in seiner Nähe, da es ihm die für die Lichtemission zur Verfügung stehenden Frequenzen einschränkte. Indem die Forscher das Plasmonenspektrum des Nanoteilchen fortlaufend beobachteten, während sie das Teilchen über das Objekt bewegten, konnten sie Informationen über die optischen Eigenschaften des Objektes gewinnen – ohne es zu beleuchten oder Licht von ihm zu erhalten!

Als Untersuchungsobjekt benutzten die Forscher eine 8 nm dicke Chromschicht, die wie ein Schweizer Käse gelöchert war. Um die Schicht herzustellen, wurden zunächst zahlreiche, 2 µm große Latexkügelchen auf eine Glasunterlage gebracht, die anschließend mit Chrom bedampft wurde. Nachdem die Latexkügelchen wieder entfernt worden waren, wies die Schicht entsprechend große Löcher auf, in deren Mitte sich allerdings durch den Kontakt der Latexkügelchen mit der Unterlage und durch den Ablösungsprozess ringförmige Krater gebildet hatten.

Wenn sich das Goldteilchen über einem Loch befand, blieben die Plasmafrequenz und Linienbreite nahezu unverändert. Befand sich das Teilchen jedoch über der Chromschicht, so koppelten die Plasmaschwingungen des Teilchens an gedämpfte Schwingungen der Elektronen in der Chromschicht an. Dies führte dazu, dass die Plasmafrequenz des Goldteilchens rotverschoben wurde und sich die Linienbreite vergrößerte. Die Modellrechnungen der Forscher stimmten gut mit den beobachteten Spektren überein. Es zeigte sich also, dass die Information über den optischen Kontrast des Untersuchungsobjekts im Spektrum des Nanoteilchens enthalten war und nicht, wie normalerweise bei einem Lichtmikroskop, in der Intensität, der Phase oder der Polarisation des vom Objekt zurückgestrahlten Lichtes.

Bisher liegt das Auflösungsvermögen des neuen Mikroskops nur bei etwa 200 nm. Die Auflösung wird vor allem durch die Größe des Nanoteilchens und durch unerwünschtes Streulicht beschränkt, das durch eine geringfügige direkte Beleuchtung des Objekt verursacht wird. Die Forscher weisen darauf hin, dass sie auch ein Goldteilchen von wenigen Nanometern Durchmesser an einer Glasfaserspitze befestigen und seine optischen Eigenschaften beobachten können. Ließe sich zudem noch das Streulicht reduzieren, dann könnte das lichtlose Lichtmikroskop auch noch nanometergroße Strukturen „sehen“, obwohl sie im Dunkeln bleiben.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  T. Kalkbrenner et al.: Optical Microscopy via Spectral Modifications of a Nanoantenna. Phys. Rev. Lett. 95, 200801 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.200801
  http://www.nano-optics.ethz.ch/publications/pdf/kalkbrenner03%20.pdf (frei!) 
• Homepage der Gruppe für Nanooptik an der ETH Zürich:
  http://www.nano-optics.ethz.ch

Weitere Literatur:

• K. Lindfors et al.: Detection and spectroscopy of gold nanoparticle using supercontinuum white light confocal microscopy. Phys. Rev. Lett. 93, 037401 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.93.037401
  http://www.nano-optics.ethz.ch/publications/pdf/lindfors.pdf 
• T. Kalkbrenner, U. Hakanson, V. Sandoghdar: Tomographic plasmon spectroscopy of a single gold nanoparticle. Nano Letters 4, 2309 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1021/nl048694n
  http://www.nano-optics.ethz.ch/publications/pdf/kalkbrenner.pdf (frei!) 
• Stemmer und V. Sandoghdar: Die Geburt der optischen Nanoskopie. ETH Bulletin 298, 53 (2005).
  http://www.nano-optics.ethz.ch/publications/pdf/stemmer01.pdf