Die Beobachtung kleinster Teilchen und einzelner Moleküle, aus denen sich unsere belebte und unbelebte Materie zusammensetzt, ist mit herkömmlichen optischen Mikroskopen meistens nicht möglich. Wissenschaftler der Universität Mainz haben nun eine neue Methode entwickelt, die es nun erlaubt, Abstände im Nanometerbereich zu erfassen. Mithilfe der so genannten Plasmonenkopplung ist damit auch die Beobachtung von langsam ablaufenden Prozessen beliebig lange möglich.
„Mit Hilfe der Plasmonenkopplung können wir beispielsweise sehen, welche Prozesse in einer Zelle genau ablaufen“, erklärt der Mainzer Physiker Professor Carsten Sönnichsen im Wissenschaftsjournal „Nature Biotechnology“. So kann beobachtet werden, wie sich etwa verschiedene Proteine an einen DNA-Strang anlagern. Betrachtungen, die bisher nur für wenige Sekunden möglich waren, können nun beliebig lange verfolgt werden. Die Forscher können so auch Prozesse, die sehr langsam ablaufen, untersuchen.
Lichtstreuung an Goldteilchen
Sönnichsen erforscht schon seit Jahren Abstandsmessungen im Nanometerbereich – die Skala reicht von einigen millionstel Millimetern bis zu einem tausendstel Millimeter, das ist bis zu 100.000-mal kleiner als ein menschliches Haar.
Grundlage der neuen Methode ist nun die Lichtstreuung an nanoskopisch großen Gold- und Silber-Teilchen. Gold- und Silber-Nanopartikel leuchten farbig, wenn sie mit dem weißen Licht einer Halogenlampe in einer bestimmten Anordnung bestrahlt werden. Je nach Größe und Form der Nanoteilchen ändert sich die Farbe des Metalls. Zum Beispiel sehen Suspensionen von kleinen Gold-Nanopartikeln in Wasser rot aus – im Gegensatz zu dem gelblichen Schimmer, den Gold normalerweise zeigt.
Bei einer stärkeren Zusammenballung dieser Partikel ändert sich die Farbe sogar noch stärker hin zu tief blau bis violett. Diese Phänomene sind schon lange bekannt und seit über 100 Jahren prinzipiell theoretisch verstanden. „Wir nutzen diese Eigenschaften auf eine neue Art und Weise für die Erforschung einzelner biologischer Moleküle“, so Sönnichsen.
Farbe abhängig vom Abstand der Teilchen
Hierbei werden die Gold- und Silberteilchen als Abstandssensoren eingesetzt. Indem sich ein Teilchen, bildlich gesprochen, rechts und ein weiteres links von einem Molekül anlagert, entsteht eine Art chemische Hantel. Wenn sich nun an dem Molekül etwas ändert oder es sich bewegt und dadurch eine Abstandsänderung zwischen dem rechten und linken Metallteilchen erfolgt, wird sich auch die ausgestrahlte Farbe ändern. Denn die Farbe ist abhängig vom Abstand der Teilchen. Da beide Teilchen und ihr Abstand weitaus kleiner sind als die Auflösungsgrenze eines optischen Mikroskops, nimmt man sowohl die einzelnen Partikel als auch die Partikelpaare als jeweils nur einen Punkt war. Die Änderung selbst ist also nur als Farbänderung zu beobachten.
Der Vorteil gegenüber herkömmlichen molekularen Sensoren auf Basis des Förster Energietransfers zwischen zwei Farbstoffmolekülen (FRET) ist die unbegrenzte Lebensdauer der Partikel, die so eine kontinuierliche Beobachtung ermöglichen. Das neue Instrument, so die Einschätzung von Fachkollegen, könnte sich als eine sehr hilfreiche Ergänzung für den Nanotechnologie-Werkzeugkasten erweisen.
(idw – Universität Mainz, 23.06.2005 – DLO)
