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Mikroskopie mit Graphen-Unterstützung Ein „Lineal“ für atomgenaue Abstandsmessung

| Redakteur: Christian Lüttmann

Moderne Mikroskopietechniken können immer bessere Auflösungen erzeugen. Eine neue Technik von Forschern der Universität Göttingen erlaubt nun erstmals, extrem kleine Distanzen in der Größenordnung von einem Ångström genau und reproduzierbar optisch zu messen. Dies wird mithilfe einer Graphenschicht ermöglicht, die als eine Art Abstandssensor dient.

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Eine farbstoffmarkierte Membran, die unter polarisiertem Licht gesehen wird (Pfeil). Dies zeigt, dass die Moleküle entlang des Umfangs der Membran ausgerichtet sind.
Eine farbstoffmarkierte Membran, die unter polarisiertem Licht gesehen wird (Pfeil). Dies zeigt, dass die Moleküle entlang des Umfangs der Membran ausgerichtet sind.
(Bild: Universität Göttingen)

Göttingen – Forscher der Universität Göttingen haben ein neues Verfahren entwickelt, um die Position von einzelnen Atomen präzise zu bestimmen. Das Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Jörg Enderlein untersuchte, wie sich die Emission von lichtemittierenden Molekülen variieren lässt. Dazu verwendeten sie eine nur eine Atomschicht (0,34 nm) dicke Folie: ein Blatt aus einer einzelnen Graphenschicht.

Die ausgezeichnete optische Transparenz von Graphen und seine Fähigkeit, die Lichtemission der Moleküle durch den Raum zu beeinflussen, machten es zu einem äußerst empfindlichen Werkzeug, um die Entfernung einzelner Moleküle vom Graphenblatt zu messen. Es wirkt wie ein Sensor, wenn es sich den Atomen nähert. Mit dieser Messmethode lassen sich selbst kleinste Abstandsänderungen von etwa ein Ångström auflösen. Das entspricht ungefähr dem Durchmesser eines Atoms oder einem halben Millionstel eines menschlichen Haares.

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„Lineal“ zum Ausmessen einer Zellmembran

Die Forscher wiesen die hohe Auflösung ihrer Messmethode nach, indem sie einzelne Moleküle über einer Graphenschicht absetzten. Sie konnten dann ihre Entfernung bestimmen, indem sie deren Lichtemission detektierten und auswerteten. Dieses Vorgehen bietet ein äußerst empfindliches und präzises „Lineal" für die Bestimmung einzelner Molekülpositionen im Raum. So haben die Wissenschaftler beispielsweise die Dicke von einzelnen Lipiddoppelschichten gemessen, die eine Gesamtdicke von nur wenigen Nanometern aufweisen.

„Unser Verfahren hat ein enormes Potenzial für die Superauflösungsmikroskopie, da es uns ermöglicht, einzelne Moleküle mit Nanometerauflösung zu lokalisieren. Und dies auch entlang der dritten Richtung, was eine echte dreidimensionale optische Abbildung auf der Längenskala von Makromolekülen ermöglicht“, sagt Arindam Ghosh, Erstautor der Studie.

„Dies wird ein leistungsfähiges Werkzeug mit zahlreichen Anwendungen sein, um Entfernungen mit Sub-Nanometer-Genauigkeit in einzelnen Molekülen, molekularen Komplexen oder kleinen zellulären Organellen aufzulösen", ergänzt Gruppenleiter Enderlein.

Originalpublikation: Arindam Ghosh et al.: Graphene-based metal-induced energy transfer for sub-nanometre optical localization, Nature Photonics (2019); DOI: 10.1038/s41566-019-0510-7

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