Einzelne Nanoteilchen im Fokus

Die äußere Form wie auch die optischen und elektronischen Eigenschaften von Nanopartikeln genau zu charakterisieren, ist mit konventionellen optischen Mikroskopen bisher nicht möglich. Die Partikelgröße von einigen zig Nanometer liegt unterhalb der Abbeschen Auflösungsgrenze von rund 400 Nanometern. Daher lässt sich zum Beispiel nur aus deren spektralen Eigenschaften auf die Form der Partikel schließen. Da die Signale bei der Wechselwirkung von Licht mit einzelnen Nanoteilchen im Allgemeinen extrem schwach sind, wurden solche Untersuchungen bislang meist an Ensembles aus Tausenden von Partikeln durchgeführt. Nun hat ein Team vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und der Ludwig-Maximilians-Universität München eine Methode entwickelt, die Signale mit Hilfe eines optischen Resonators um mehr als das tausendfache verstärken und gleichzeitig fast die räumliche Auflösung eines direkt abbildenden Mikroskops erzielen soll. Die Forscher haben ihre Ergebnisse in dem Fachblatt „Nature Communications“ veröffentlicht.

Oben ist ein Mikroskop im Bild, das rote Scheiben aussendet, die auf eine Goldkugel treffen.
Mikroskop für Nanoteilchen

Spektroskopische Messungen an großen Ensembles von Nanoteilchen haben den Nachteil, dass die individuellen Unterschiede in Form und molekularer Zusammensetzung verwischt werden. Deshalb wollen Physiker die einzelnen Teilchen selbst genauer untersuchen. „Unser Ansatz besteht darin, dass wir das Licht, das der Abbildung dient, in einem Resonator zigtausendmal umlaufen lassen. Dadurch erhöht sich die Wechselwirkung zwischen Teilchen und Lichtfeld und das Signal ist leicht zu messen“, sagt David Hunger aus dem Forscherteam. „Bei einem normalen Mikroskop betrüge das Signal weniger als ein Millionstel der Eingangsleistung, und wäre nicht ohne weiteres messbar. Durch den Resonator wird das Signal nun etwa 50 000-fach verstärkt.“

In dem Mikroskop des Experiments wird die eine Seite des Resonators von einer Spiegelfläche gebildet, die gleichzeitig als Träger der zu untersuchenden Nanopartikel dient. Das Gegenstück ist ein sehr stark konkav gekrümmter Spiegel auf der Endfläche einer Glasfaser. Durch diese Faser wird auch das Laserlicht in den Resonator eingekoppelt. Der Trägerspiegel wird Punkt für Punkt gegenüber der Faserspitze so verschoben, dass die einzelnen Partikel nach und nach in deren Fokus kommen. Dabei wird der Abstand zwischen den beiden Spiegeln stets so nachjustiert, dass die Resonanzbedingungen für das Auftreten von Schwingungsmoden erfüllt sind, das erfordert eine Genauigkeit im Pikometerbereich.

Für ihre ersten Messungen verwendeten die Wissenschaftler Goldkügelchen mit einem Durchmesser von 40 Nanometern. „Die Goldpartikel sind gewissermaßen unser Referenzsystem, da wir hier die Eigenschaften auch genau berechnen und somit die Validität unserer Messungen prüfen können“, sagt David Hunger. „Da wir die optischen Eigenschaften des Messapparates sehr genau kennen, können wir aus den gemessenen Transmissionssignalen die optischen Eigenschaften der einzelnen Teilchen quantitativ bestimmen.“ Verglichen mit anderen Verfahren, die auch auf der direkten Signalverstärkung beruhen, ist das Lichtfeld auf einen sehr kleinen Raum begrenzt, sodass bei Nutzung der Grundmode eine räumliche Auflösung von zwei Mikrometern erreicht wird. Durch Hinzunahme der höheren Moden konnten die Wissenschaftler das Auflösungsvermögen auf rund achthundert Nanometer steigern.

Das Verfahren soll auch helfen, sowohl die Absorptionseigenschaften als auch die Polarisierbarkeit eines einzelnen Partikels zu untersuchen. Das ist insbesondere dann interessant, wenn die untersuchten Partikel nicht kugelförmig, sondern beispielsweise länglich sind. Dann hängen die entsprechenden Größen nämlich davon ab, wie die Polarisation des Laserlichtes relativ zur Richtung der Symmetrieachsen des Objektes orientiert ist. „In unserem Experiment verwenden wir Nanostäbchen aus Gold und schauen uns an, wie sich die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Polarisation verschiebt. Ist die Polarisation parallel zur Stäbchenachse orientiert, verschiebt sich die Resonanz stärker als wenn sie orthogonal dazu ist, so dass sich zwei Resonanzfrequenzen für die beiden Polarisationsrichtungen ergeben“, sagt Matthias Mader aus dem Forscherteam. „Diese Doppelbrechung können wir nun sehr genau vermessen. Sie ist ein empfindlicher Indikator für die Form und Orientierung des Teilchens.“

Die Methode ist laut der Forscher für verschiedene Bereiche der Biologie, Chemie und Nanotechnik von Interesse. Eine mögliche Anwendung sehen sie darin, die zeitliche Dynamik von Makromolekülen zu untersuchen, wie beispielsweise die Faltungsdynamik von Proteinen.