Nano-Lampe für Nahfeldmikroskope

Einkristalline Nanodrähte aus Kaliumniobat eignen sich als abstimmbare Lichtquellen für die optische Nahfeldmikroskopie.

Berkeley (USA) – In der Lichtmikroskopie gibt es eine beugungsbedingte Auflösungsgrenze: Objekte, die kleiner als die verwendete Wellenlänge sind, lassen sich nur durch spezielle Methoden exakt abbilden – z. B. indem man die Information des optischen Nahfeldes mit einem Nahfeldmikroskop ausnutzt. Solche Mikroskope arbeiten meist mit winzigen Lichtquellen, die eine Probe aus sehr kurzem Abstand Stück für Stück beleuchten. Amerikanische Forscher entwickelten nun eine neue Lichtquelle, um biologische Proben zerstörungsfrei zu analysieren. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der Zeitschrift „Nature“.

„Wir haben eine elektrodenfreie und abstimmbare Lichtquelle für kohärentes, sichtbares Licht entwickelt, die kompatibel mit einer physiologischen Umgebung ist“, schreiben Yuri Nakayama und seine Kollegen von der University of California in Berkeley. Dazu züchteten sie einkristalline Nanodrähte aus Kaliumniobat mit Durchmessern von wenigen Nanometern. In Wasser verteilt griffen sie sich ein einzelnes Röhrchen mit einer optischen Pinzette heraus. Für diese optische Falle nutzten sie infrarotes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1064 Nanometern. Der Vorteil: Dieses Licht kann auch zerstörungsfrei in Zellen und anderen empfindlichen, biologischen Proben verwendet werden.

Für eine hochaufgelöste Nahfeldmikroskopie wird nun kurzwelligeres Licht im sichtbaren Spektrum benötigt. Hierfür nutzen Nakayama und Kollegen die optischen Eigenschaften von Kaliumniobat aus. Denn diese Drähte dienen über die Nutzung der zweiten Harmonischen als Frequenzkonverter. Entsprechend absorbiert die Nanostruktur je zwei Infrarot-Photonen und sendet darauf ein grünes Lichtteilchen mit einer Wellenlänge von 531 Nanometer aus. In ersten Messungen konnte so eine Ausgangsleistung von etwa 10 Nanowatt erreicht werden.

Bevor die US-Forscher ihre Nano-Lichtquelle an biologischen Zellen erproben, haben sie zunächst versucht, 50 Nanometer feine Goldlinien auf einem Glasträger optisch abzubilden. Rasterartig führten sie dazu den Licht aussendenden Nanodraht über diese Teststruktur. Trifft die Lichtquelle auf eine feine Goldlinie, fiel die Intensität des transmittierten Grünlichts deutlich ab. Diese Lichtsignale konnten mit einem hochempfindlichen Photodetektor aufgefangen werden und bilden die Grundlage für Bilder mit einer Auflösung von bis zu 10 Nanometern.

Nun steht der Einsatz dieser elektrodenlosen, leuchtenden Nanodrähte in biologischen Proben in einem wässrigen Medium aus. „Wenn das wirklich funktioniert, ist das ein großes Plus“, beurteilt Warren Zipfel, Biologe an der Cornell University diese Entwicklung. Neben der Analyse von winzigen, biologischen Strukturen können sich die Forscher aber auch Anwendungen in der optischen Informationstechnologie und für kryptographische Verfahren vorstellen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Y. Nakayama et al., Tunable nanowire nonlinear optical probe, Nature 447, 1098 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05921
• University of California, Berkeley:
  http://www.berkeley.edu
• Department of Chemistry, UCB:
  http://chem.berkeley.edu
• Hintergrund Nahfeldmikroskopie, Forschungszentrum Rossendorf:
  http://www.fzd.de/db/Cms?pNid=34