Licht auf der Nanoskala fokussieren: Forscher präsentieren winzige Linsen aus Nanoteilchen und DNA

Konventionelle Linsen können Licht nur zu einem Volumen von etwa einem Femtoliter (10^-15 Liter) fokussieren, was einem Kubikmikrometer entspricht. Diese Einschränkung ist ein Ergebnis der Beugung, die allen konventionellen Linsen inhärent ist, und verhindert etliche Anwendung im Bereich der Nanotechnologie. Die Forschergruppe um Prof. Philip Tinnefeld, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Technischen Universität Braunschweig, hat nun ein Verfahren entwickelt, bei dem Millionen sogenannter Nanolinsen aus metallischen Nanoteilchen und DNA parallel hergestellt werden. Diese Nanolinsen erlauben es, sogar einzelne Moleküle bis zu einhundertfach genauer zu untersuchen.

Das Schema zeigt die DNA-Origami Nanosäule (grau) immobilisiert auf einer Oberfläche. Zwei Gold-Nanopartikel mit einem Durchmesser von 80-100 nm dienen als Antenne und fokussieren das Licht im Hotspot zwischen den Nanopartikeln. Ein Fluoreszenzfarbstoff im Hotspot (rot) dient als optisch aktive Quelle und berichtet die Fluoreszenzverstärkung. Quelle: TU Braunschweig – PCI

In dem aufstrebenden Forschungsgebiet der Nanophotonik studieren Wissenschaftler das Verhalten von Licht in Dimensionen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind. Es ist beispielsweise bekannt, dass ein Verbund aus zwei Gold-Nanoteilchen Licht zu einem Punkt fokussieren kann, der etwa tausendmal kleiner ist als bei konventionellen Linsen. Eine derart starke Fokussierung hat großes technologisches Potenzial, zum Beispiel für die Signalverarbeitung in optischen Computern, für ultra-empfindliche Nachweise in der Diagnostik oder auch für biotechnologische Anwendungen wie bei der DNA-Sequenzierung. Bisher war es jedoch eine Herausforderung, Gold-Nanoteilchen mit einer Größe im Bereich von 80-100 Nanometer in definierten Abständen zu platzieren und die zu untersuchenden Moleküle genau in den aktiven „Hotspot“ zwischen den Partikeln zu bringen.

Das Schema zeigt die DNA-Origami Nanosäule (grau) immobilisiert auf einer Oberfläche. Zwei Gold-Nanopartikel mit einem Durchmesser von 80-100 nm dienen als Antenne und fokussieren das Licht im Hotspot zwischen den Nanopartikeln. Ein Fluoreszenzfarbstoff im Hotspot (rot) dient als optisch aktive Quelle und berichtet die Fluoreszenzverstärkung.

Dies veranlasste die Arbeitsgruppe von Prof. Philip Tinnefeld, nach einem neuen Ansatz zur Entwicklung von Nanolinsen zu suchen. Sie fanden ihn in der sogenannten DNA-Origami-Technik. Dabei wird Erbmaterial, in diesem Fall von Viren, als Trägermaterial benutzt. DNA hat als Struktur im Nano-Bereich die Eigenschaft, sich in viele mögliche Formen falten zu lassen. Das Braunschweiger Forscherteam hat nun aus diesem Ausgangsmaterial eine Nano-Säule geformt. Spezifische Moleküle am Fuß der Säule ermöglichen die aufrechte Platzierung auf einem Deckglas. Diese DNA-Nanosäule dient als Gerüst, an dem die Nanopartikel (in diesem Fall Goldpartikel) angebracht wurden. Nun werden winzige optische Quellen, wie etwa fluoreszierende Farbstoff-Moleküle, präzise zwischen diese Partikel gebracht. In diesem Moment beweist sich die Leistungsfähigkeit der Nano-Linse: Die Fluoreszenz der einzelnen Moleküle steigt um den Faktor hundert an.

Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass dieser neuartige Ansatz einen großen Einfluss auf verschiedene Forschungsfelder haben wird. Prof. Philip Tinnefeld beschreibt die Breite möglicher Anwendungen: „Dadurch, dass das Licht in kleinsten Volumen im Bereich von Zeptolitern konzentriert wird, werden wir einzelne Objekte mit verbessertem Signal und bei höheren Konzentrationen untersuchen können. Dies ist besonders für biologische Anwendungen bedeutsam, da viele relevante Prozesse wie zum Beispiel die DNA-Replikation erst bei höheren Konzentrationen effizient ablaufen. Darüber hinaus werden fundamentale physikalische Aspekte bezüglich der Wechselwirkung von Licht und Nanopartikeln der Erforschung zugänglich, da jetzt optische Quellen gezielt im Fokus der Nanolinse platzierbar sind.“

Diese Arbeit wurde durch einen Starting Grant des European Research Council (ERC), die Volkswagenstiftung sowie das Center for NanoScience (CeNS) gefördert.

Veröffentlichung: “Fluorescence Enhancement at Docking Sites of DNA-Directed Self-Assembled Nanoantennas”. Guillermo Acuna, Friederike Möller, Phil Holzmeister, Susanne Beater, Birka Lalkens and Philip Tinnefeld. SCIENCE (DOI, Erscheinungstermin 26.10.2012)

Kontakt:

Prof. Dr. Philip Tinnefeld
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Technische Universität Braunschweig
Hans-Sommer-Straße 10
38106 Braunschweig
p.tinnefeld@tu-braunschweig.de
Tel.: 0531 391 5330

Dr. Guillermo Acuna
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Technische Universität Braunschweig
Hans-Sommer-Straße 10
38106 Braunschweig
g.acuna@tu-braunschweig.de
Tel.: 0531 391 7377