Spitzenforschung mit Nanoleuchten

Ein »Plattenspieler« für Nanomaterialien: Forschungsteams aus Chemie und Physik entwickeln extrem dünne Metallspitzen und optische Fasern, mit denen sich feinste Oberflächenstrukturen abrastern und analysieren lassen. In Kombination mit intensivem Laserlicht werden die Metallspitzen zu superfokussierenden Nano­leuchten, die neben der räumlichen Auflösung von Oberflächenstrukturen zum Beispiel auch deren chemi­sche Zusammensetzung oder optische Eigenschaften detektieren.

Text: Ute Schönfelder

Die Wechselwirkung von Licht und Ma­terie untersuchen die Forschungsteams um Prof. Dr. Volker Deckert und Prof. Dr. Thomas Pertsch. Dafür nutzen sie ein hochauflösendes optisches Verfah­ren, das auf dem Prinzip der bereits etablierten Rastersondenmikroskopie basiert und nichtlineare optische Effekte einbezieht. »Ein Rastersondenmikros­kop funktioniert, vereinfacht gesagt, wie ein Plattenspieler«, erläutert Thomas Pertsch. Eine winzige Metallspitze ras­tert die Oberfläche der zu untersuchen­den Materialprobe ab und überträgt Informationen über deren Topografie über einen beweglichen Arm auf einen Detektor. »Diese Methode ist so emp­findlich, dass sich Metalloberflächen bis auf einzelne Atome im Metallgitter auf­lösen lassen«, so Pertsch.

Doch das ist den Physikern noch nicht empfindlich genug. In einem gemeinsa­men Projekt kombinieren die Forscher die Rastersondenmikroskopie mit opti­schen Verfahren, um neben der Oberflä­chenstruktur auch Informationen über die optischen und chemischen Eigen­schaften der zu untersuchenden Proben zu erhalten. Bisher verfolgen Volker Deckert und Thomas Pertsch dabei je­weils unterschiedliche Ansätze, die sie im Sonderforschungsbereich »NOA« zu einem gemeinsamen Messverfahren kombinieren wollen.

Silbertröpfchen machen Siliziumnadel empfindlicher

So nutzen Deckert und seine Kolle­ginnen und Kollegen vom Institut für Physikalische Chemie winzige Silizi­umnadeln, um die Proben abzurastern. Die Nadeln selbst sind etwa 50 Mikro­meter lang – weniger als ein Blatt Papier dick ist. Die Nadelspitze, die mit der Probe interagiert, ist aber noch mehr als 1 000 Mal kleiner, lediglich fünf bis zehn Nanometer misst sie im Durch­messer. Doch das ist immer noch nicht klein – und damit empfindlich – genug. »Zusätzlich wird die Siliziumnadel mit Silber bedampft, das sich in winzigen  Tröpfchen an der Siliziumoberfläche niederschlägt«, erläutert Deckert. Die einzelnen Silbertröpfchen vergrößern die effektive Nadelspitze nur unwesent­lich um etwa 10 nm, was etwa der Dicke einer Zellmembran entspricht.

Die so präparierte Nadel rastert nicht nur aufgrund ihrer winzigen Größe je­des noch so kleine Detail der Probe ab und deckt dabei Strukturen und Defek­te in allen Einzelheiten auf. Zusätzlich wird sie während des Messvorgangs mit Laserlicht bestrahlt und an ein Ra­man-Spektrometer gekoppelt. Das re­flektierte Licht der Nadel kann damit ebenfalls zur Detektion der Oberflä­chenstruktur und ihrer Eigenschaften herangezogen werden.

Hauptsächlich bezwecken die For­schenden damit aber etwas anderes: »Die Konzentration von Lichtteilchen mit hoher Intensität in dem sehr klei­nen Volumen der Metallnadel führt zu nichtlinearen Effekten zwischen Licht und Material«, sagt Deckert. Die Na­delspitze selbst wird dabei quasi zur Lichtquelle, die die Lichtteilchen lokal so stark konzentriert, dass sie dabei die Empfindlichkeit der Raman-Spektro­skopie deutlich erhöht. Wie das Team um Jürgen Popp und Jer-Shing Huang nutzt Deckert dabei sowohl lineare, als auch nichtlineare Wechsel­wirkungen zwischen Licht und Material aus, um das über intensive Kurzpulsla­ser angeregte Raman-Streulicht kohä­rent zu bündeln (»Coherent anti-Stokes Raman Scattering«; CARS), was die Ra­man-Signale verstärkt.

Dass sich diese Methoden ganz prak­tisch nutzen lassen, das konnten die Jenaer Forschenden gemeinsam mit US-amerikanischen Kollegen in einer kürzlich publizierten Studie zeigen. Im Fachmagazin »Proceedings of the Na­tional Academy of Sciences« präsentier­ten sie Messergebnisse, wonach sich in klinischen Proben mittels spitzenver­stärkter Raman-Spektroskopie nicht nur einzelne Viruspartikel nachweisen, sondern zugleich auch die jeweilige Vi­rusart identifizieren lassen – und das in­nerhalb weniger Minuten. Während in der vorgestellten Studie Influenza- und Coxsackie-Viren untersucht wurden, ist das Verfahren prinzipiell natürlich auch geeignet, um beispielsweise SARS-CoV-2 nachzuweisen, betont Volker De­ckert.

Prof. Dr. Volker Deckert justiert einen Laser zur Untersuchung nanoskaliger Oberflächen und ihrer nichtlinearen optischen Eigenschaften.

Foto: Jens Meyer (Universität Jena)