Nanopartikel im Fokus
Mikroskop verstärkt Licht 50.000-fach um Details einzelner Nanoteilchen abzubilden.
Die Möglichkeit, die optischen Eigenschaften eines einzelnen Nanopartikels oder Makromoleküls zu untersuchen, ist für viele Bereiche der Biologie, Chemie oder auch Nanotechnik von großem Interesse. Die spektroskopischen Signale bei der Wechselwirkung von Licht mit einzelnen Nanoteilchen sind im Allgemeinen aber extrem schwach. Daher wurden solche Untersuchungen bislang meist an Ensembles aus Tausenden von Partikeln durchgeführt. Nun hat ein Team von Wissenschaftlern aus der Abteilung Laserspektroskopie von Theodor W. Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching und der LMU München eine Methode entwickelt, die Signale mit Hilfe eines optischen Resonators um mehr als das Tausendfache zu verstärken und gleichzeitig beinahe die räumliche Auflösung eines direkt abbildenden Mikroskops zu erzielen.
Abb.: Anschauliche Darstellung des neuen Verfahrens zur Mikroskopie von Nanoteilchen. (Bild: MPQ, Abteilung Laserspektroskopie)
Spektroskopische Messungen an großen Ensembles von Nanoteilchen haben den Nachteil, dass die individuellen Unterschiede in Form und molekularer Zusammensetzung dabei verwischen. Deshalb will man die einzelnen Teilchen genauer untersuchen. „Unser Ansatz besteht darin, dass wir das Licht, das der Abbildung dient, in einem Resonator zig-tausendmal umlaufen lassen. Dadurch erhöht sich die Wechselwirkung zwischen Teilchen und Lichtfeld, und das Signal ist leicht zu messen“, erklärt David Hunger, leitender Wissenschaftler am Experiment. „Bei einem normalen Mikroskop betrüge das Signal weniger als ein Millionstel der Eingangsleistung, und wäre nicht ohne weiteres messbar. Durch den Resonator wird das Signal nun etwa 50.000-fach verstärkt.“
In dem von Hunger und seinem Team aufgebauten Mikroskop bildet eine die Spiegelfläche die eine Seite des Resonators. Sie dient gleichzeitig als Träger der zu untersuchenden Nanopartikel. Das Gegenstück ist ein sehr stark konkav gekrümmter Spiegel auf der Endfläche einer Glasfaser. Durch diese Faser wird auch das Laserlicht in den Resonator eingekoppelt. Der Trägerspiegel wird Punkt für Punkt gegenüber der Faserspitze so verschoben, dass die einzelnen Partikel nach und nach in deren Fokus kommen. Dabei wird der Abstand zwischen den beiden Spiegeln stets so nachjustiert, dass die Resonanzbedingungen für das Auftreten von Schwingungsmoden erfüllt sind, das erfordert eine Genauigkeit im Pikometerbereich.
Für ihre ersten Messungen verwendeten die Wissenschaftler Goldkügelchen mit einem Durchmesser von 40 Nanometern. „Die Goldpartikel sind gewissermaßen unser Referenzsystem, da wir hier die Eigenschaften auch genau berechnen und somit die Validität unserer Messungen prüfen können“, sagt Hunger. „Da wir die optischen Eigenschaften des Messapparates sehr genau kennen, können wir aus den gemessenen Transmissionssignalen die optischen Eigenschaften der einzelnen Teilchen quantitativ bestimmen.“ Verglichen mit anderen Verfahren, die auch auf der direkten Signalverstärkung beruhen, ist das Lichtfeld auf einen sehr kleinen Raum begrenzt, sodass die Forscher eine räumliche Auflösung von zwei Mikrometern erreichen, wenn sie die Grundmode nutzen. In dem sie höhere Moden hinzufügten, konnten die Wissenschaftler das Auflösungsvermögen sogar auf rund 800 Nanometer steigern.
Noch aussagekräftiger wird das Verfahren, wenn sowohl die Absorptionseigenschaften als auch die Polarisierbarkeit eines einzelnen Partikels bestimmt werden. Das ist insbesondere dann interessant, wenn die untersuchten Partikel keine sphärische Symmetrie haben, sondern beispielsweise länglich sind. Dann hängen die entsprechenden Größen davon ab, wie die Polarisation des Laserlichtes relativ zur Richtung der Symmetrieachsen des Objektes orientiert ist.
„In unserem Experiment verwenden wir Nanostäbchen mit der Größe 34 mal 25 mal 25 Nanometer aus Gold und schauen uns an, wie sich die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Polarisation verschiebt. Ist die Polarisation parallel zur Stäbchenachse orientiert, dann verschiebt sich die Resonanz stärker als wenn sie orthogonal dazu ist, so dass sich zwei Resonanzfrequenzen für die beiden Polarisationsrichtungen ergeben“, erklärt Matthias Mader, Erstautor der neuen Studie. „Diese Doppelbrechung können wir nun sehr genau vermessen. Sie ist ein empfindlicher Indikator für die Form und Orientierung des Teilchens.“
Die Forscher wollen, in Zukunft die zeitliche Dynamik von Makromolekülen untersuchen, etwa die Faltungsdynamik von Proteinen. Insgesamt sähen sie für ihre Methode großes Potential – von der Charakterisierung von Nanomaterialien und biologischen Nanosystemen bis hin zur Spektroskopie von Quanten-Emittern, so die Forscher.
MPQ / PH
