02.01.2023 • NanophysikOptik

Mit Licht in die Nanowelt

Wie optische Mikroskope detaillierte Untersuchungen von Nanopartikeln erlauben.

Nanopartikel machen unter anderem neue biomedizinische Anwendungen möglich, indem sie als eine Art Behälter Wirkstoffe zum Ziel transportieren. Im Idealfall sind ihre Oberflächen funktionalisiert – also mit einem molekularen Puzzlestück versehen, was diese nur an gewünschten Zielzellen im Körper andocken lässt. Die Untersuchung solcher Partikel und der sich darauf befindenden Moleküle ist jedoch schwierig: Licht ist zu grob, um solche Partikel in einem Lichtmikroskop abzubilden. Sichtbares Licht im Bereich von UV bis Infrarot kann maximal Partikel mit einer Größe von zweihundert Nanometern auflösen. Zu groß, um festzustellen, wo beispielsweise ein molekulares Puzzlestück auf dessen Oberfläche sitzt oder deren Anzahl zu bestimmen.

Abb.: Mit einer Kombination aus hochauflösender Mikroskopie und...
Abb.: Mit einer Kombination aus hochauflösender Mikroskopie und Elektronenmikroskopie können Wissenschaftler die Position von Molekülen auf Nanopartikeloberflächen viel genauer bestimmen. Dies könnte neue biomedizinische Anwendungen ermöglichen. (Bild: MPI-P)

„Das ist so ähnlich, als würde man versuchen, mit einem Hammer eine Schallplatte anzuhören“, erklärt Ingo Lieberwirth vom MPI für Polymerforschung. „Elektronenmikroskope können solche Partikel gut abbilden – jedoch ist die Gefahr auch groß, dass die verwendeten Elektronen die angedockten Moleküle beschädigen.“ Daher haben sich das Team um Liebermann einer Methode bedient, für die 2014 der Nobelpreis in Chemie verliehen wurde: Bei der superauflösenden Mikroskopie werden kleine fluoreszierende Partikel – Fluorophore genannt – verwendet und, im Falle der Nanopartikel, mit den Molekülen auf dessen Oberfläche verbunden.

Diese Fluorophore haben die Eigenschaft, in einem Mikroskop statistisch zu blinken. Die Position dieses Blinksignals kann viel genauer festgestellt werden, als dies bei konventioneller optischer Mikroskopie möglich wäre. „Stellen Sie sich das einfach so vor wie zwei Personen, die nebeneinander auf einem dunklen Berg stehen und mit ihren Taschenlampen in ihre Richtung leuchten“, so Lieberwirth. „Wenn beide gleichzeitig leuchten, ist es schwer zu erkennen, dass es zwei Taschenlampen sind. Wenn es aber blinkt, wird der Positionsunterschied viel deutlicher.“

Das auf diese Art erhaltene Bild des Nanopartikels ist jedoch nur die halbe Wahrheit: Nanopartikel besitzen Eigenschaften, die dieses Bild verfälschen und verzerren können – beispielsweise Resonanzphänomene, die dafür sorgen, dass nicht nur das Flurophor, sondern auch ein Teil des Nanopartikels leuchtet. Die Wissenschaftler haben daher Nanopartikel sowohl mit Hilfe der Elektronenmikroskopie als auch mit Hilfe der superauflösenden Lichtmikroskopie aufgenommen. Während die Elektronenmikroskopie die wahre Position des angedockten Moleküls liefert, sorgen physikalische Effekte im Lichtmikroskop für eine Verschiebung. Eine Software korreliert nun beide Bilder – und kann somit basierend auf der lichtmikroskopischen Aufnahme die wahre Position vorhersagen.

Die Forschenden hoffen, mit ihrer Methode Nanopartikel im Lichtmikroskop untersuchen zu können, welches schnellere Ergebnisse liefert und die Partikel nicht zerstört. Damit können in Zukunft Nanopartikel noch genauer und umfassender untersucht werden, um so zu neuen biomedizinischen Anwendungen zu gelangen.

MPI-P / RK

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