Alpenglow pod mikroskopom

Poboljšani optički mikroskop daje molekularne slike bojom

Nema planina, već molekularni krajolik s pet sjajnih molekula krezirano plave boje pokazuje ovu skenirajuću sliku za tuneliranje mikroskopa TERS. © Fritz Haber Institut društva Maxa Plancka
čitati naglas

Klasični mikroskopi za skeniranje u obliku tunela daju izrazito oštre slike atomskog pejzaža, ali nažalost samo crno-bijele: jedan atom izgleda kao drugi. S druge strane, optički mikroskopi razlikuju tvari prema njihovom spektru boja, ali zasad ne mogu razlikovati pojedine atome ili pojedine molekule. Novi TERS optički mikroskop postiže rezoluciju koja je dugo vremena bila nezamisliva za optičke mikroskope. Uočava pojedine molekule uz pomoć zračenja Ramanove svjetlosti i daje im boju.

Njegova razlučivost od 15 nanometara usporediva je s mikroskopom atomske sile. To je zbog inovacije istraživača: Kako navode u časopisu "Physical Review Letters", svjetlosni snop mikroskopa veže se uz pomoć paraboličnog zrcala i vrlo oštrog zlatnog vrha, osvjetljavajući tako najmanji mogući dio svog uzorka.

Kad fizičar Max Planck Bruno Pettinger iz Instituta Fritz Haber promatra jednu od svojih mikroskopskih slika na svom računalu, slika pomalo podsjeća na alpski krajolik. Trodimenzionalna slika prikazuje hrapavu ravnicu s nekoliko naizgled zasađenih planina. Samo što nisu planine, već raštrkane molekule boje sjajnog krezijalno plave boje na zlatnoj površini. Takve su slike skeniranja tunelijskih mikroskopa poznate u izobilju, ali ono što je novo jest da takvo mjerenje daje još jednu sliku. Pokazuje sjaj molekula.

Molekule identificirane Ramanskim spektrom

S bojama ovog svjetla, takozvanog Ramanovog spektra, Pettinger određuje koja molekula sjedi gdje - kao da je nazvao pojedine planine njihovim imenima. Istraživači su poboljšali razlučivost ove spektroskopije na 15 nanometara u svom mikroskopu i tako prvi put izravno identificirali pojedine molekule na temelju njihovog Ramanovog spektra.

Na primjer, u budućnosti bi se ovom tehnikom moglo mapirati nanočestice koje nanose površinu katalizatora i tamo zarobljavaju strane molekule. Sa slikom različitih oblika ovih čestica i vezanih molekula moguće je utvrditi kako se razvijaju njihova katalitička svojstva. prikaz

Novi mikroskop koristi dvije tehnike

Intenzitet Ramanovog signala jedne sjajne molekule krezila (na površini od 12 x 12 nanometara). Iz Ramanovog signala, istraživači određuju spektar boja molekule i, ako je potrebno, mogu odrediti vrstu molekule. Fritz Haber Institut društva Max Planck

Trenutno dostupni optički mikroskopi, uz nekoliko, još nezrelih izuzetaka, ne ukazuju istovremeno na mjesto molekula pored vrste. Dakle, Ramanskom spektroskopijom ne mogu se razlikovati dvije različite susjedne molekule, čak i ako su udaljene 200 nanometara (nm). U krajoliku bi to značilo da bi pojedini vrhovi u planinama bili previše mutni da bi ih razlikovali. Slika bi pokazala jedva teksturiranu, veliku ravninu u miješanoj boji. Nasuprot tome, klasični skenirajući tunelirajući mikroskop mogao je prikazati čak i pojedine stijene - tj. Atome - ali sve samo u sivoj boji. Koji se elementi događaju u njemu, kamenje ne otkriva.

Mikroskop radnih grupa oko Alfreda Meixnera sa Sveučilišta u T bingenu i Pettingeru kombinira prednosti obje tehnike. Međutim, dva istraživačka tima radila su samostalno. Tijekom posjeta laboratoriju, znanstvenici su podijelili svoje ideje i na kraju došli do sličnih zaključaka koristeći parabolična zrcala umjesto leća. "Prikladno je što smo neko vrijeme bili konkurenti", kaže Meixner. Načelo je djelovalo u oba laboratorija. Dakle, znamo da zadržava ono što obeća

Zlatni savjeti kao alat

Spomenuti princip kombinira dvije tehnike skeniranja tunelirajuće mikroskopije i Ramanovu spektroskopiju (TERS) - s izloženim, oštrim vrhom. Kod skeniranja mikroskopa za tuneliranje metalna igla skenira površinu uzorka, a u TERS mikroskopima pojačavaju se željeni optički efekti. U tu su svrhu istraživači proizveli vrlo fine zlatne savjete, čiji je promjer oko 15 nanometara, manje od jedne tisuće ljudske dlake.

Za visinski profil uzorka, zlatni vrh prati strukturu površine kao u skenirajućem tunelirajućem mikroskopu. Čim nađe anketu, molekula, u igru ​​dolazi inovacija istraživača T bingera i Maxa Plancka. Jer ramansko rasipanje je vrlo slabo. Za procjenu signala samo jedne molekule, on se mora enormno pojačati. Da bi to učinili, istraživači savršeno fokusiraju laserske zrake na iglu s paraboličnim konkavnim zrcalom.

Tako je elektromagnetsko polje snopa poravnano duž vrha i vibracijama postavlja nosače naboja u metalni vrh i površinu uzorka. Vrh je samo nanometar iz uzorka, tako da se svjetlost koncentrira na izuzetno mali prostor u praznini. Tada sjaji ne samo zlatni vrh, već i uzvisine na površini neposredno ispod. Tamo molekule proizvode milijun puta više ramanskog zračenja nego što su dalje od vrha.

Difrakcijska granica zacrtana

Užarena zlatna igla u mikroskopu djeluje poput antene. Laserske zrake potiču svoj izuzetno oštar vrh za emitiranje svjetlosnih valova frekvencije. Na putu kroz jaz između vrha i površine uzorka, valovi se uznemiruju malim preprekama: molekulama koje sjede na površini uzorka. Oni tapkaju valove vrlo specifične količine energije da vibriraju, ostavljajući svojevrsni kemijski otisak u zrakama. Taj se fenomen naziva ramansko rasipanje.

Parabolično ogledalo prikuplja što je više moguće raspršenog zračenja oko praznine. Sada su istraživači u mogućnosti procijeniti i identificirati ranije nepoznate tvari pod njihovim mikroskopom koristeći Ramanski spektar.

30 puta veća rezolucija

Pomoću TERS mikroskopa, istraživači postižu rezoluciju 30 puta veću od one klasične, difrakcijsko ograničene optičke mikroskope, koji, na primjer, povezuju svjetlosne zrake s lećama. Za potonje je rezolucija ograničena na veličinu svjetlosne duljine pola vala, ovdje bi iznosila oko 300 nm. Dugo se to smatralo apsolutnom gornjom granicom razlučivosti svjetlosnih mikroskopa. Međutim, razlučivost TERS mikroskopa ovdje je drugačije ograničena, naime veličina upotrijebljenog zlatnog vrha. Dakle, granica difrakcije je nadjačana, budući da se pojedini pikseli ne slikaju izravno svjetlošću, već raspršivanjem zlatnog vrha po površini.

Zbog svoje visoke rezolucije i osjetljivosti otkrivanja, ova vrsta mikroskopije nije samo zanimljiva za ispitivanje katalizatora, već, na primjer, za sekvenciranje DNK ili za snimanje nanostrukture u poluvodičima. Rezolucija njihovog TERS mikroskopa Pettinger i Meixner žele se dodatno poboljšati koristeći još oštrije savjete. "Pomoću našeg TERS mikroskopa potaknut ćemo i istraživanja na mladom, ali izuzetno zanimljivom polju jedno-molekularne spektroskopije", kaže Pettinger.

(idw - MPG, 24.06.2008. - DLO)