Moleküle werden mit Schall „sichtbar“

| Redakteur: Hendrik Härter

Forscher der TU Wien haben eine Mikroskopie-Methode entwickelt, mit der einzelne Moleküle über den Schall sichtbar werden.
Forscher der TU Wien haben eine Mikroskopie-Methode entwickelt, mit der einzelne Moleküle über den Schall sichtbar werden. (Bild: TU Wien)

Mit einer speziellen Mikroskopie-Methode lässt sich nicht Licht, sondern Schall messen. Damit lassen sich einzelne Moleküle abbilden und zuverlässig bestimmen.

Forscher haben eine spezielle Mikroskopie-Methode entwickelt, mit der nicht Licht, sondern der Schall gemessen wird. Denn will man Objekte abbilden, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, kommt entweder das Elektronenmikroskop zum Einsatz oder man bestimmt die Position bestimmter fluoreszierender Moleküle, indem eine große Zahl von Bildern nacheinander aufnimmt.

Ein Team der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Wien konnte jetzt nach jahrelanger Forschung eine neue Mikroskopie-Methode präsentieren, mit der man einzelne Moleküle abbilden und sogar zuverlässig bestimmen 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 somit Schall.

Mikro-Membran erzeugt Trommelgeräusch

Prof. Silvan Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung und winzigen mechanischen Strukturen. „Wir bringen einzelne Moleküle auf ganz bestimmte, extrem dünne Membranen auf“, erklärt er. „Danach wird die Membran von einem Laserstrahl abgetastet.“

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“, erklärt Silvan Schmid. „Wenn sich die Trommelmembran erwärmt, wird sich auch das Trommelgeräusch ändern. Dasselbe geschieht bei unseren Mikro-Membranen.“

Optische Sensoren messen hohe Töne

Die Membran schwingt mit einer Frequenz in der Größenordnung von etwa 20 kHz – 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 viel zu leise, um wahrgenommen zu werden. Es wird 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 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“, sagt Silvan Schmid. „Unsere Methode lässt sich allerdings auch auf andere Moleküle anwenden. Man muss nur die Wellenlänge des Laserlichts richtig wählen.“

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