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

(Nanowerk News) Konventionelle Linsen k√∂nnen Licht nur zu einem Volumen von etwa einem Femtoliter (10-15 Liter) fokussieren, was einem Kubikmikrometer entspricht. Diese Einschr√§nkung ist ein Ergebnis der Beugung, die konventionellen Linsen ist, und verhindert etliche Anwendung im Bereich der Nanotechnologie. Die Forschergruppe um Prof. Philip Tinnefeld, Institut f√ľr Physikalische und Theoretische Chemie der Technischen Universit√§t 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 Molek√ľle bis zu einhundertfach genauer zu untersuchen ("Fluorescence Enhancement at Docking Sites of DNA-Directed Self-Assembled Nanoantennas").
DNA-Origami Nanosäule
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. (Bild: TU Braunschweig)
In dem aufstrebenden Forschungsgebiet der Nanophotonik studieren Wissenschaftler das Verhalten von Licht in Dimensionen, die kleiner als die Wellenl√§nge 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 gro√ües technologisches Potenzial, zum Beispiel f√ľr die Signalverarbeitung in optischen Computern, f√ľr ultra-empfindliche Nachweise in der Diagnostik oder auch f√ľr biotechnologische Anwendungen wie bei der DNASequenzierung. Bisher war es jedoch eine Herausforderung, Gold-Nanoteilchen mit einer Gr√∂√üe im Bereich von 80-100 Nanometer in definierten Abst√§nden zu platzieren und die zu untersuchenden Molek√ľle genau in den aktiven ‚ÄěHotspot‚Äú zwischen den Partikeln zu bringen.
Dies veranlasste die Arbeitsgruppe von Prof. Philip Tinnefeld, nach einem neuen Ansatz zur Entwicklung von Nanolinsen zu suchen. Sie fanden ihn in der sogennanten DNA-Origami-Technik. Dabei wird Erbmaterial, in diesem Fall von Viren, als Tr√§germaterial benutzt. DNA hat als Struktur im Nano-Bereich die Eigenschaft, sich in viele m√∂gliche Formen falten zu lassen. Das Braunschweiger Forscherteam hat nun aus diesem Ausgangsmaterial eine Nano-S√§ule geformt. Spezifische Molek√ľle am Fu√ü der S√§ule erm√∂glichen die aufrechte Platzierung auf einem Deckglas. Diese DNA-Nanos√§ule dient als Ger√ľst, an dem die Nanopartikel (in diesem Fall Goldpartikel) angebracht wurden. Nun werden winzige optische Quellen, wie etwa fluoreszierende Farbstoff-Molek√ľle, pr√§zise zwischen diese Partikel gebracht. In diesem Moment beweist sich die Leistungsf√§higkeit der Nano-Linse: Die Fluoreszenz der einzelnen Molek√ľle steigt um den Faktor hundert an.
Die Wissenschaftler sind √ľberzeugt, dass dieser neuartige Ansatz einen gro√üen Einfluss auf verschiedene Forschungsfelder haben wird. Prof. Philip Tinnefeld beschreibt die Breite m√∂glicher Anwendungen: ‚ÄěDadurch, dass das Licht in kleinsten Volumen im Bereich von Zeptolitern konzentriert wird, werden wir einzelne Objekte mit verbessertem Signal und bei h√∂heren Konzentrationen untersuchen k√∂nnen. Dies ist besonders f√ľr biologische Anwendungen bedeutsam, da viele relevante Prozesse wie zum Beispiel die DNAReplikation erst bei h√∂heren Konzentrationen effizient ablaufen. Dar√ľber hinaus werden fundamentale physikalische Aspekte bez√ľglich der Wechselwirkung von Licht und Nanopartikeln der Erforschung zug√§nglich, 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.
Source: Technische Universität Braunschweig
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