Die TU-Wien ent­wi­ckelt eine neue Mikro­sko­pie­me­thode zur Auf­nahme und Sicht­bar­ma­chung kleins­ter Mole­küle. Bei der soge­nann­ten Nano­me­cha­ni­schen Absorp­ti­ons-Mikro­sko­pie wird statt Licht nun Schall gemes­sen. Mit dem Pro­jekt wurde aber­mals eine Ver­öf­fent­li­chung in einem inter­na­tio­nal renom­mier­ten Fach­jour­nal erreicht, dies­mal im Maga­zin PNAS.

Ein­zelne Mole­küle kann man nicht foto­gra­fie­ren. Um Objekte abzu­bil­den, die klei­ner sind als die Wel­len­länge des Lichts, wer­den spe­zi­elle Tech­ni­ken benö­tigt. Ent­we­der wer­den Elek­tro­nen­mi­kro­skope genutzt oder man bestimmt die Posi­tion bestimm­ter fluo­res­zie­ren­der Mole­küle über eine große und nach­ein­an­der auf­ge­nom­mene Zahl von Bildern.
Ein Team der Fakul­tät für Elek­tro­tech­nik und Infor­ma­ti­ons­tech­nik der TU Wien konnte aktu­ell nach jah­re­lan­ger For­schung eine neue Mikro­sko­pie-Methode prä­sen­tie­ren, mit der ein­zelne Mole­küle abge­bil­det und zudem zuver­läs­sig bestimmt wer­den kön­nen. Die Mole­küle wer­den dabei 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 und damit der Schall. Ver­öf­fent­licht wurde die neue Methode nun im renom­mier­ten Fach­jour­nal PNAS.

Das Mole­kül auf der Mem­bran und die beson­dere Schwingung
„Wir brin­gen ein­zelne Mole­küle auf ganz bestimmte, extrem dünne Mem­bra­nen auf. Danach wird die Mem­bran von einem Laser­strahl abge­tas­tet“, erläu­tert Sil­van Schmid vom Insti­tut für Sen­sor- und Aktua­tor­sys­teme der TU Wien. Der For­scher beschäf­tigt sich mit der Wech­sel­wir­kung von elek­tro­ma­gne­ti­scher Strah­lung und win­zi­gen mecha­ni­schen Struk­tu­ren. Hier wird
die Wel­len­länge des Laser­lichts 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. Wenn sich die Trom­mel­mem­bran erwärmt, wird sich auch das Trom­mel­ge­räusch ändern. Das­selbe geschieht bei unse­ren Mikro-Mem­bra­nen“, sagt Schmid. 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 jedoch viel zu leise um wahr­ge­nom­men zu wer­den. Es wird daher mit opti­schen Sen­so­ren gemessen.

Wenn man die gesamte Mem­bran Punkt für Punkt mit dem Laser beleuch­tet und jedes Mal die akus­ti­sche „Ver­stim­mung“ der Mem­bran misst, kann man dann berech­nen, wo ein Mole­kül sitzt – und 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“, so Schmid. „Unsere Methode lässt sich aller­dings auch auf andere Mole­küle anwen­den. Man muss nur die Wel­len­länge des Laser­lichts rich­tig wählen.“

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

Sil­van Schmids For­schungs­team arbei­tete bei die­sem Pro­jekt mit der ebenso an der TU-Wien befind­li­chen Bio­phy­sik-For­schungs­gruppe von Ger­hard Schütz zusam­men, die sich auf beson­ders her­aus­for­dernde Mikro­sko­pie-Tech­ni­ken spe­zia­li­siert hat.
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“, ergänzt Sil­van Schmid.