Fysiker från Dresden och Würzburg har utvecklat en ny metod för optisk mikroskopi, få högupplösta bilder med hjälp av biologiska motorer och enkla kvantpunkter.

Upplösningen för konventionell optisk mikroskopi begränsas av den fysikaliska principen om diffraktion till ungefär hälften av ljusets våglängd:Om avståndet mellan två objekt är mindre än denna så kallade "diffraktionsgräns, "de kan inte längre separeras visuellt - bilden verkar" suddig. "För att få optiska bilder i skalan på några nanometer, detta är helt klart inte tillräckligt.

Av denna anledning, forskare världen över har utvecklat genomarbetade tekniker för att kringgå diffraktionsgränsen och därmed öka upplösningen. Dock, den tekniska ansträngning som krävs för att göra det är stor, och högspecialiserade mikroskopaggregat krävs vanligtvis. Särskilt, utredningen av optiska nära fält utgör fortfarande en stor utmaning, eftersom de är så starkt lokaliserade att de inte kan skicka vågor till en avlägsen detektor.

I en ny studie, fysiker från Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) och Technische Universität Dresden visar nu att det är möjligt att mäta dessa nära fält med betydligt mindre ansträngning. De använde ett biomolekylärt transportsystem för att skjuta många extremt små optiska nanosonder över en yta. De presenterar sina resultat i det aktuella numret av den berömda tidskriften Naturnanoteknik .

"Som sonder, vi använde så kallade kvantpunkter-små fluorescerande partiklar med några nanometer stora, "säger professor Bert Hecht vid JMU; han ledde tillsammans projektet tillsammans med professor Stefan Diez från TU Dresden.

Så kallade motorproteiner och mikrotubuli får kvantprickorna att passera över objektet som ska undersökas. "Dessa två element är bland de grundläggande komponenterna i ett intracellulärt transportsystem, "förklarar Diez." Mikrotubuli är rörformade proteinkomplex upp till flera tiondels millimeter långa, som bildar ett stort nätverk av transportvägar inuti celler. Motorproteiner går längs dessa vägar, transportera intracellulära laster från en plats till en annan, säger Hecht.

Fysikerna utnyttjade detta koncept, men i omvänd ordning:"De motoriska proteinerna fixeras till provytan och passerar mikrotubuli över dem-ett slags" scendykning "med biomolekyler, "säger Heiko Groß, Ph.D. student i Hecht -gruppen. De kvantprickar som fungerar som optiska sonder är fästa vid mikrotubuli och rör sig tillsammans med sin bärare.

Eftersom en enda kvantpunkt skulle ta mycket lång tid att skanna en stor yta, forskarna använde stora mängder kvantprickar och motorproteiner, som rör sig samtidigt, och därmed skanna ett stort område på kort tid. "Med hjälp av denna princip, vi kan mäta lokala ljusfält över ett stort område med en upplösning på mindre än fem nanometer med hjälp av en installation som liknar ett klassiskt optiskt mikroskop, "förklarar fysikern. Som jämförelse, en nanometer motsvarar en miljonedel av en millimeter.

Fysikerna testade sin metod på ett tunt lager av guld med smala slitsar som är mindre än 250 nanometer breda. Dessa spår upplystes underifrån med blått laserljus. "Ljus som passerar genom dessa smala luckor är begränsat till gapbredden, vilket gör den idealisk för demonstration av högupplöst optisk mikroskopi, "säger Gross.

Under mätningen, en "svärm av mikrotubuli" glider samtidigt i olika riktningar över ytan på guldskiktet. Med en kamera, positionen för varje transporterad kvantpunkt kan bestämmas exakt vid definierade tidsintervall. Om en kvantpunkt rör sig genom det optiska närfältet i en slits, den lyser starkare och fungerar därför som optisk sensor. Eftersom kvantpunktens diameter bara är några nanometer, ljusfördelningen i spåret kan bestämmas extremt exakt, därmed kringgå diffraktionsgränsen.

En annan trevlig egenskap hos detta tillvägagångssätt är att på grund av dess längd och styrka, en mikrotubuli rör sig på ett extremt rakt och förutsägbart sätt över den motorbelagda provytan. "Detta gör det möjligt att bestämma positionen för kvantprickarna 10 gånger mer exakt än med tidigare etablerade högupplösta mikroskopimetoder, "förklarar doktor Jens Ehrig, tidigare postdoktor i Diez -gruppen och nuvarande chef för anläggningen "Molecular Imaging and Manipulation" vid Center for Molecular and Cellular Bioengineering (CMCB) i TU Dresden. Vidare, störningar orsakade av artefakter på grund av nära fältkoppling kan uteslutas. Eftersom transportsystemet endast består av några få molekyler, dess inflytande på de optiska nära fälten är försumbar.

Forskarna hoppas kunna använda sin idé för att etablera en ny teknik inom ytmikroskopi. Hur som helst, de är övertygade om att denna typ av mikroskopi har tillämpningar vid optisk inspektion av nanostrukturerade ytor. I ett nästa steg, forskarna vill använda detta molekylära transportsystem för att koppla kvantprickar till specifikt förberedda optiska nära-fältresonatorer för att studera deras interaktion.