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News: Bewegte Moleküle im Nahfeld

Die jüngsten Fortschritte in der Biologie machen es immer wichtiger, kleine Strukturen, wie beispielweise DNA-Moleküle, schnell abzubilden. Zwar stehen durchaus gute mikroskopische Verfahren mit hohem Auflösungsvermögen zur Verfügung, sie arbeiten jedoch leider meist recht langsam. Nun haben Physiker ein Verfahren entwickelt, das beide Wünsche erfüllt und Moleküle in kurzer Zeit hoch aufgelöst abbildet.
Wissenschaftler nutzen heute viele verschiedene mikroskopische Verfahren, die je nach Anforderung auch sehr gute Resultate liefern. Ein Manko vieler Geräte ist allerdings, dass sie recht langsam arbeiten. So braucht ein Rasterkraftmikroskop in der Regel einige Minuten, bis eine Probe abgerastert ist und ein Bild in ansprechender Qualität verfügbar ist. Für Biologen ist das mitunter viel zu lang. Gerade wenn es darum geht, sehr viele Moleküle zu charakterisieren, sind die meisten bekannten Verfahren überfordert.

Ein Team aus Forschern von der Princeton University, der Cambridge University, der National Taiwan University und schließlich von U.S. Genomics hat nun eine Idee verwirklicht, schnell an die gewünschten Bildinformationen zu gelangen. Die Wissenschaftler stellten mittels Elektronenstrahllithographie und reaktivem Ionenätzen einen fünf Mikrometer breiten und ein Mikrometer tiefen Kanal her, durch den sie Moleküle leiten können. Quer zum Weg befinden sich hintereinander drei Schlitze mit einer Breite von 100 Nanometern im Boden, die ein Argon-Krypton-Laser von unten beleuchtet. Da die Wellenlänge des verwendeten Lichts größer ist als die Spaltbreite, kann das Licht nicht einfach hindurchscheinen, erzeugt aber auf der anderen Seite ein so genanntes Nahfeld.

Passiert ein Molekül den Spalt im Boden, so beginnt es im Einfluss des Feldes zu fluoreszieren. Eine Mikroskopoptik nimmt dieses Licht auf und ein Photomultiplier verstärkt das Signal. Schließlich zählt eine Elektronik nur die Signale, die nacheinander von allen drei Schlitzen in ähnlichen Zeitintervallen empfangen werden. Auf dieses Weise stellen die Wissenschaftler sicher, dass auch wirklich ein Molekül durch den Kanal gewandert ist.

Nach Analyse der Daten erhalten die Forscher die Länge, die Geschwindigkeit und die Struktur der vorbeirauschenden Moleküle. Damit nicht ein Molekülknäuel durch den Messkanal wandert, befindet sich vor dessen Eingang eine trichterförmige Kammer mit kleinen Stäben, welche die Moleküle in die Länge strecken.

Das Team bildete mit seinem Nahfeld-Scanner DNA-Moleküle mit 200 000 Basenpaaren ab, die ausgestreckt 74 Mikrometer lang waren. Die Forscher gewannen die kompletten Bildinformationen in nur hundert Millisekunden. Damit ist der Prozess wesentlich schneller als andere bestehenden Methoden. Das Auflösungsvermögen liegt bei 200 Nanometern; anders als bei herkömmlichen Mikroskopen ist es nicht durch die Mikroskoplinse beschränkt, sondern allein durch die Spaltbreite.

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