STED-Mikroskopie Abbildung nanoskopischer Farbzentren eines Kristalls mittels STED-Mikroskopie

Mithilfe der STED (Stimulated Emission Depletion)-Mikroskopie ist es Wissenschaftlern gelungen, Bilder dicht gepackter, einzelner Farbzentren eines Kristalls mit einer Auflösung von 5,8 Nanometern aufzunehmen.

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Max-Planck-Institut für für biophysikalische Chemie Karl-Friedrich-Bonhoeffer-Inst

Göttingen – An Defektstellen von Diamanten können sich nanoskopisch kleine Farbzentren ausbilden, die bei der Entwicklung moderner Quanten-Computer oder der Quantenkryptographie eine Schlüsselrolle spielen. Forschern vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen ist es nun gelungen, die Farbzentren im Kristall mit einem Lichtmikroskop hochaufgelöst abzubilden. Mithilfe der STED (Stimulated Emission Depletion)-Mikroskopie konnten die Wissenschaftler selbst dicht gepackte einzelne Farbzentren identifizieren.

Wissenschaftlich sind die billigeren, fluoreszierenden Diamanten von höherem Interesse als perfekte und große Steine. Ihre Farbe beruht auf Fremdatomen im Diamantgitter, beispielsweise Stickstoff. Geraten Stickstoff-Atome in die Nähe von Leerstellen im Kristallgitter, bilden sich atomar kleine, leuchtende Defektstellen aus. In den Defektstellen können Elektronen - ähnlich wie in Farbstoffmolekülen - mit Laserlicht angeregt werden. Fallen sie in ihren Grundzustand zurück, wird die Anregungsenergie als Fluoreszenzlicht abgestrahlt.

Farbzentren sollen in Diamanten in Zukunft als kleine Prozessoren in Quantencomputern zum Einsatz kommen, um Rechenoperationen zu beschleunigen. Auch ihre Eignung bei der Verschlüsselung sensibler Daten wird derzeit erforscht. Doch haben die Farbzentren im Kristall in der Handhabung einen entscheidenden Nachteil: Einzelne von ihnen lassen sich nur mit einem Fluoreszenzmikroskop erkennen und nur auflösen, wenn sie weiter entfernt sind als 200 Nanometer, was der Auflösungsgrenze eines Lichtmikroskops entspricht.

Auflösung von 5,8 Nanometern

Der Arbeitsgruppe um Stefan Hell am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie ist es nun mittels STED (Stimulated Emission Depletion)-Mikroskopie gelungen, die ersten Bilder dicht gepackter einzelner Farbzentren eines Kristalls aufzunehmen. Dazu trieben die Forscher die Auflösung der STED-Mikroskopie mit 5,8 Nanometern auf die Spitze. Farbzentren in Diamant, die nur Bruchteile des bisherigen Grenzabstands voneinander entfernt waren, konnten einzeln abgebildet und ihre Position bis auf 0,15 Nanometer bestimmt werden.

Neue Klasse von Fluoreszenzmarkern

Dass Stickstoff-Atome nachleuchten, wenn sie mit Laserblitzen beschossen werden, macht sie auch für die Fluoreszenz-Nanoskopie interessant. Mit den fluoreszierenden Diamanten wollen die Forscher dem Nanokosmos lebender Zellen weitere Geheimnisse entlocken. Dazu müssen die Kristalle jedoch nanoskopisch klein sein - nur als winzige Nanopartikel lassen sie sich für die Markierung von Zellen verwenden. „Organische Fluoreszenz-Farbstoffe, die wir bisher routinemäßig bei STED einsetzen, haben den Nachteil, dass sie flackern und am Ende ausbleichen“, sagt Eva Rittweger, Doktorandin in der Arbeitsgruppe. „Dagegen bleiben Farbzentren im Diamant auch im STED-Mikroskop äußerst photostabil.“

Forschergruppen in Würzburg, Stuttgart sowie in Asien und Amerika arbeiten daran, Nano-Diamanten auch in der biologischen und medizinischen Grundlagenforschung einzusetzen. „Wenn es gelänge, die Eigenschaften im Kristall auf winzige Diamant-Nanokristalle zu übertragen, hätte man automatisch eine Fluoreszenz-Nanoskopie ohne Bleichen - und damit einen weiteren sehr leistungsfähigen Zugang zur Nanoskala der Zelle“, so Stefan Hell.

Originalveröffentlichung: Rittweger, E. et al.: STED microscopy reveals crystal colour centres wit nanometric resolution. Nature Photonics, Online-Publikation, 22. Februar 2009 | doi:10.1038/nphoton.2009.2

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