Mikroskopie per Membranschwingung Moleküle mit Schall sichtbar machen

Lichtmikroskope sind längst nicht die einzige Möglichkeit, winzige Objekte zu untersuchen. An der TU Wien haben Forscher nun eine neue Methode entwickelt, die einzelne Moleküle sichtbar macht. Das wesentliche Prinzip ihrer „Nanomechanischen Absorptions-Mikroskopie“ beruht nicht auf Licht, sondern auf Schall.

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Wien/Österreich – Einzelne Moleküle kann man nicht fotografieren. Wenn man Objekte abbilden will, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, muss man sich besondere Tricks einfallen lassen. Man verwendet etwa Elektronenmikroskope oder bestimmt die Position bestimmter fluoreszierender Moleküle, indem man eine große Zahl von Bildern nacheinander aufnimmt.

Ein Team der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Wien hat jetzt eine neue Mikroskopie-Methode präsentiert, mit der man einzelne Moleküle abbilden und sogar zuverlässig identifizieren kann. Die Moleküle werden auf einer winzigen Membran platziert und mit einem Laser bestrahlt. Gemessen wird, wie sich das Schwingungsverhalten der Membran dadurch verändert. Die entscheidende Messgröße ist somit nicht Licht, sondern eine mechanische Schwingung – also Schall.

Die Trommel der Mikroskopie

Die Wellenlänge des Laserlichts wird so gewählt, dass es besonders stark mit dem gesuchten Molekül wechselwirkt. Trifft der Laserstrahl auf das Molekül, nimmt es Energie auf und erwärmt dadurch die Membran in seiner Umgebung. Diese Erwärmung wiederum bewirkt, dass sich die Schwingfrequenz der Membran verstimmt. „Man kann sich das vorstellen wie eine kleine Trommel“, sagt Prof. Silvan Schmid von der TU Wien. „Wenn sich die Trommelmembran erwärmt, wird sich auch das Trommelgeräusch ändern. Dasselbe geschieht bei unseren Mikro-Membranen.“

Die Membran schwingt mit einer Frequenz in der Größenordnung von etwa 20 Kilohertz – das entspricht einem sehr hohen Ton, in einem Frequenzbereich den zumindest Kinder normalerweise gerade noch hören können. Das Geräusch der Membran im nanomechanischen Absorptions-Mikroskop ist aber viel zu leise, um wahrgenommen zu werden. Es wird mit optischen Sensoren gemessen und anschließend in ein Bild des Moleküls umgerechnet.

Verstimmte Bilder

Indem die Wissenschaftler die gesamte Membran Punkt für Punkt mit dem Laser beleuchten und jedes Mal die akustische „Verstimmung“ der Membran messen, können sie berechnen, wo ein Molekül sitzt – so lässt sich ein Bild mit hohem Kontrast erzeugen. „Wir haben die Methode auf Fluorophore angewandt, das sind fluoreszierende Moleküle, die auch mit anderen Methoden abgebildet werden können. Dadurch konnten wir zeigen, dass unser Schwingungs-Bild tatsächlich stimmt“, sagt Schmid. „Unsere Methode lässt sich allerdings auch auf andere Moleküle anwenden. Man muss nur die Wellenlänge des Laserlichts richtig wählen.“

Anwendung zum Beispiel als Moleküldetektor

Entscheidend für das Funktionieren der neuen Methode war es, passende Membranen herzustellen. „Wir benötigen ein Material, das sein Schwingungsverhalten möglichst deutlich ändert, wenn es durch einzelne Moleküle lokal erwärmt wird“, erläutert Schmid. „Gelungen ist uns das schließlich mit Siliziumnitrid-Membranen mit einer Oberfläche aus Siliziumoxid.“

Anwendungsmöglichkeiten für die neue Technologie gibt es viele: „Unsere neue Methode liefert ein sehr deutliches, klares Signal. Dadurch ist sie für viele Bereiche interessant. Man kann auf diese Weise einzelne Moleküle lokalisieren und analysieren, man kann Detektoren für winzige Stoffmengen bauen, man kann sie aber auch für die Festkörper-Forschung einsetzen, etwa um elektronische Schwingungen in Nano-Antennen zu messen“, fasst Schmid zusammen.

Originalpublikation: Chien et al.: Single-molecule optical absorption imaging by nanomechanical photothermal sensing, PNAS (2018) ; DOI: 10.1073/pnas.1804174115

* Dr. F. Aigner, Technische Universität Wien, 1040 Wien

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