Natuurkundigen uit Dresden en Würzburg hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor optische microscopie, het verkrijgen van afbeeldingen met een hoge resolutie met behulp van biologische motoren en enkele kwantumdots.

De resolutie van conventionele optische microscopie wordt beperkt door het fundamentele natuurkundige principe van diffractie tot ongeveer de helft van de golflengte van het licht:als de afstand tussen twee objecten kleiner is dan deze zogenaamde "diffractielimiet, " ze kunnen niet langer visueel worden gescheiden - het beeld lijkt "wazig". dit is duidelijk niet voldoende.

Om deze reden, wetenschappers wereldwijd hebben uitgebreide technieken ontwikkeld om de diffractielimiet te omzeilen en zo de resolutie te verhogen. Echter, de daarvoor benodigde technische inspanning is aanzienlijk, en zeer gespecialiseerde microscoopassemblages zijn meestal vereist. Vooral, het onderzoek naar optische nabije velden vormt nog steeds een grote uitdaging, omdat ze zo sterk gelokaliseerd zijn dat ze geen golven naar een verre detector kunnen sturen.

In een nieuwe studie, natuurkundigen van de Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) en de Technische Universität Dresden laten nu zien dat het mogelijk is om deze nabije velden met aanzienlijk minder inspanning te meten. Ze gebruikten een biomoleculair transportsysteem om vele extreem kleine optische nano-sondes over een oppervlak te schuiven. Ze presenteren hun resultaten in het huidige nummer van het gerenommeerde tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"Als sondes, we gebruikten zogenaamde kwantumdots - kleine fluorescerende deeltjes van enkele nanometers groot, " zegt professor Bert Hecht van de JMU; hij begeleidde het project samen met professor Stefan Diez van de TU Dresden.

Zogenaamde motoreiwitten en microtubuli zorgen ervoor dat de quantum dots over het te onderzoeken object gaan. "Deze twee elementen behoren tot de fundamentele componenten van een intracellulair transportsysteem, " legt Diez uit. "Microtubuli zijn buisvormige eiwitcomplexen tot enkele tienden van millimeters lang, die een belangrijk netwerk van transportroutes in cellen vormen. Motoreiwitten lopen langs deze routes, het transporteren van intracellulaire ladingen van de ene plaats naar de andere, ' zegt Hecht.

De natuurkundigen maakten gebruik van dit concept, maar in omgekeerde volgorde:"De motoreiwitten worden aan het monsteroppervlak gefixeerd en geven de microtubuli eroverheen - een soort 'stage-diven' met biomoleculen, " zegt Heiko Groß, doctoraat student in de Hechtgroep. De kwantumstippen die als optische sondes dienen, zijn bevestigd aan de microtubuli en bewegen samen met hun drager.

Aangezien een enkele kwantumdot er erg lang over zou doen om een ​​groot oppervlak te scannen, gebruikten de onderzoekers grote hoeveelheden quantum dots en motoreiwitten, die tegelijk bewegen, en zo een groot gebied in korte tijd aftasten. "Met behulp van dit principe, we kunnen lokale lichtvelden meten over een groot gebied met een resolutie van minder dan vijf nanometer met een opstelling die lijkt op een klassieke optische microscoop, " legt de natuurkundige uit. Ter vergelijking:een nanometer is gelijk aan een miljoenste van een millimeter.

De natuurkundigen testten hun methode op een dunne laag goud met smalle spleten van minder dan 250 nanometer breed. Deze sleuven werden van onderaf verlicht met blauw laserlicht. "Licht dat door deze nauwe openingen gaat, is beperkt tot de spleetbreedte, waardoor het ideaal is voor het demonstreren van optische microscopie met hoge resolutie, ' zegt Gros.

Tijdens de meting, een "zwerm microtubuli" glijdt gelijktijdig in verschillende richtingen over het oppervlak van de goudlaag. Met behulp van een camera, de positie van elke getransporteerde kwantumdot kan exact worden bepaald op gedefinieerde tijdsintervallen. Als een kwantumdot door het optische nabije veld van een spleet beweegt, het licht sterker op en fungeert daarom als optische sensor. Aangezien de diameter van de kwantumdot slechts enkele nanometers is, de lichtverdeling binnen de spleet is uiterst nauwkeurig te bepalen, waardoor de diffractielimiet wordt omzeild.

Een ander mooi kenmerk van deze aanpak is dat door zijn lengte en sterkte, een microtubule beweegt op een extreem rechte en voorspelbare manier over het met een motor beklede monsteroppervlak. "Dit maakt het mogelijk om de positie van de kwantumdots 10 keer nauwkeuriger te bepalen dan met eerder vastgestelde microscopiemethoden met hoge resolutie, " legt Dr. med. Jens Ehrig uit, voormalig postdoctoraal onderzoeker in de Diez-groep en huidig ​​hoofd van de faciliteit "Molecular Imaging and Manipulation" van het Centre for Molecular and Cellular Bioengineering (CMCB) van de TU Dresden. Verder, verstoringen veroorzaakt door artefacten als gevolg van near-field-koppeling kunnen worden uitgesloten. Omdat het transportsysteem maar uit een paar moleculen bestaat, de invloed ervan op de optische nabije velden is verwaarloosbaar.

Met hun idee hopen de onderzoekers een nieuwe technologie te ontwikkelen op het gebied van oppervlaktemicroscopie. In elk geval, ze zijn ervan overtuigd dat dit type microscopie toepassingen heeft bij de optische inspectie van nanogestructureerde oppervlakken. In een volgende stap, de onderzoekers willen dit moleculaire transportsysteem gebruiken om kwantumdots te koppelen aan specifiek geprepareerde optische nabij-veldresonatoren om hun interactie te bestuderen.