Wien – Wissenschaftern der Technischen Universität (TU) Wien ist es gelungen, einzelne Moleküle mit Schall abzubilden: Mit der sogenannten "Nanomechanischen Absorptions-Mikroskopie" haben die Forscher eine neue Methode im Fachjournal "PNAS" vorgestellt, die vielfältige Anwendungen verspricht.

Herzstück der neuen Methode ist eine extrem dünne Membran, die von einem Laserstrahl abgetastet wird. Die Wellenlänge des Laserlichts wird dabei so gewählt, dass es stark mit dem gesuchten Molekül wechselwirkt. Trifft der Laserstrahl auf ein solches Molekül auf der Membran, nimmt es Energie auf und erwärmt seine Umgebung. Durch diese Erwärmung verändert sich die Frequenz, mit der die Membran schwingt.

Wird diese Punkt für Punkt mit dem Laser abgetastet und dabei die Frequenzänderung der Membran gemessen, lässt sich berechnen, wo ein Molekül sitzt. So lassen sich Bilder mit hohem Kontrast erzeugen. "Unsere Optik hat nur eine Auflösung von einem Mikrometer, aber indem wir das Signal-Rauschverhältnis um den Faktor zehn hinaufschrauben, können wir das Molekül mit einer Auflösung von 30 Nanometer lokalisieren", erklärte Silvan Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien.

Beschichtes Siliziumnitrid

Auf der Suche nach einem Material, das sein Schwingungsverhalten möglichst deutlich ändert, wenn es durch einzelne Moleküle lokal erwärmt wird, sind die Wissenschafter auf Siliziumnitrid gestoßen, das mit Siliziumoxid beschichtet wird. Diese rund 50 Nanometer dünne Membran schwingt mit einer Grundfrequenz von rund 20 Kilohertz. Durch die von einem beleuchteten Molekül verursachte Erwärmung wird diese Frequenz um ein Millionstel verändert.

Um Referenzwerte zu erhalten, haben die Forscher die Methode auf Fluorophore angewandt. Diese fluoreszierenden Moleküle können auch mit anderen Methoden abgebildet werden. So konnte gezeigt werden, dass das mittels Membran-Schwingungen erzeugte Bild tatsächlich stimmt. Die Methode lässt sich – mit entsprechend angepasster Wellenlänge – auch auf andere Moleküle anwenden.

Weil die molekulare Signalstärke von der Wellenlänge des Laserlichts abhängt, könnte man so aus der Schwingungsveränderung schließen, um welches Molekül es sich handelt. Dazu müsste man die Wellenlänge des Lasers beim Abtasten der Membran permanent verändern, was die Forscher nun auch tun wollen.

Der Wissenschafter sieht Anwendungen der Methode in vielen Bereichen: "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", so Schmid, der 2016 einen "Starting Grant" des Europäischen Forschungsrats ERC erhalten hat. (APA, red, 28.9.2018)