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Weißt du, wie viel Sternlein stehen?

Physik-Forschungsteam entwickelt neuartige Methode zum Zählen von Molekülen


26. Februar 2021

Wer hat nicht schon in einer lauen Sommernacht das Himmelszelt betrachtet und über die Weite des Universums nachgedacht? Das geschulte Auge kann die Andromeda-Galaxie als fernen Fleck ausmachen. Dank neuester Teleskope wissen wir, dass dieser aus über einer Billionen Sternen besteht. Auch im Nanokosmos erscheinen Anhäufungen einzelner Lichtquellen, wie beispielsweise Moleküle, als scheinbare Punkte. Diese Lichtquellen auch räumlich aufzulösen ist die Motivation der ultraschnellen Nanoskopie, ein Ziel, das im derzeit in Entstehung befindlichen Regensburger Forschungszentrum RUN verfolgt wird. Wissenschaftler:innen um Dr. Jan Vogelsang von der Universität Regensburg, Dr. Gordon Hedley (Glasgow) und Professor Dr. Philip Tinnefeld (LMU München) berichten nun in der Zeitschrift Nature Communications darüber, wie sich diese Moleküle zählen lassen.

Die Forscher:innen platzierten einzelne Moleküle eines Farbstoffs in wohldefinierten Abständen zueinander. Dies wird mit einer neuartigen Methode, dem sogenannten „DNA-Origami“ erreicht. Hierbei wird auf DNA, das Speichermedium der Biologie, zurückgegriffen. Es wird derart programmiert, dass die Moleküle sich durch Faltung der DNA wie gewünscht in Abständen von wenigen Nanometern anordnen (siehe Abbildung).





Unter dem Lichtmikroskop ist das Leuchten der einzelnen Moleküle auf dem Origami zunächst nicht auseinanderzuhalten. Um die Moleküle tatsächlich aufzulösen, wird ein weiterer Trick verwendet. Das Licht der Origami-Struktur wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel geleitet und auf beiden Seiten des Spiegels von jeweils einer Photozelle aufgezeichnet.

Dabei ist zu beachten, dass ein einziges Molekül nur ein einziges Lichtteilchen pro Zeitpunkt ausstrahlen kann. Dieses Teilchen wird nur von dem einen oder dem anderen Detektor aufgezeichnet, nicht aber von beiden. Durch Betrachtung der zeitlichen Abfolge, in der das Licht auf die einzelnen Detektoren trifft, wird eine Aussage über die exakte Anzahl der leuchtenden Moleküle in der Origami-Struktur möglich. Somit lassen sich einzelne Moleküle zählen. Die Anzahl der Moleküle wird durch die Programmierung der DNA vorgegeben. Eine Origami-Struktur mit einem Farbstoff emittiert genau ein Lichtquant, eine mit fünf eben fünf.
 
Nun können die einzelnen Moleküle auch untereinander in Wechselwirkung treten. Durch Bestrahlung mit Licht nimmt der Farbstoff Energie auf. Diese kann er entweder wieder in Form von Licht abstrahlen, oder aber an einen benachbarten Farbstoff weitergeben. Befindet sich dieser hingegen bereits schon in einem angeregten Zustand, so treffen zwei Anregungen aufeinander. Wie etwa bei zwei Autos, die gleichzeitig auf einen Stellplatz zu fahren versuchen, kommt es zur Zerstörung der Anregung. Eine solche „Annihilation“ ist in der molekularen Optoelektronik wie in OLEDs oder Solarzellen von großer Bedeutung, ebenso auch in der höchstauflösenden Mikroskopie.

Die Forschungsgruppe um Dr. Vogelsang konnte nun zeigen, dass sich die nanoskopische Wechselwirkung der Farbstoffmoleküle untereinander durch eine zeitliche Auflösung der Ankunft der Lichtteilchen an den beiden Detektoren direkt verfolgen lässt. Somit ergibt sich eine neuartige Methode der ultraschnellen Nanoskopie molekularer Komplexe, die auch in den Lebenswissenschaften Anwendung finden wird.

Originalpublikation

Gordon J. Hedley, Tim Schröder, Florian Steiner, Theresa Eder, Felix Hofmann,
Sebastian Bange, Dirk Laux, Sigurd Höger, Philip Tinnefeld, John M. Lupton and Jan
Vogelsang, Picosecond time-resolved photon antibunching measures nanoscale exciton motion and the true number of chromophores, in: Nature Communications
 DOI: 10.1038/s41467-021-21474-z


Ansprechpartner für Medien

PD Dr. Jan Vogelsang
Universität Regensburg
Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik (Prof. Lupton)
Telefon +49 941 943-2062
E-Mail jan.vogelsang@ur.de
http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/lupton/lupton/jvogelsang.php

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