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Neue Laser blicken in Zellen
Ingenieure der Harvard University haben einen Laser gebaut, der es Forschern ermöglichen könnte, mit ultrahoher Auflösung in Zellen zu blicken und zelluläre Ereignisse zu beobachten, während sie passieren. Durch das Hinzufügen von Nanoantennen zu Infrarotlasern haben die Forscher es ermöglicht, das Licht viel stärker zu fokussieren. Tatsächlich könnten die Laser zu einer Bildgebung mit mindestens 100-fach höherer Auflösung führen.
Heller Fleck: Diese beiden Goldbarren auf einem Quantenkaskadenlaser sind jeweils 1,2 Mikrometer lang. Die Balken fungieren als Antennen und fokussieren das mittlere Infrarotlicht auf eine Punktgröße, die dem Abstand zwischen ihnen von 100 Nanometern entspricht.
Bisher wurde die Auflösung der Mikroskope zur Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Geweben durch eine physikalische Eigenschaft des Lichts, die sogenannte Beugungsgrenze, eingeschränkt. Mit herkömmlichen Linsen kann Licht nur auf einen Strahl fokussiert werden, der so breit ist wie die Hälfte seiner Wellenlänge; Wenn ein Mikroskop Licht im mittleren Infrarot mit einer Wellenlänge von 24 Mikrometern verwendet, kann es nur auf einen 12 Mikrometer breiten Fleck fokussiert werden. Angesichts der Größe tierischer Zellen (10 Mikrometer), Bakterien (1 Mikrometer) und Viren (zehn Nanometer) ist dies viel zu groß.
Im vergangenen Jahr entwickelten die Harvard-Forscher erstmals ein praxistaugliches System zur Überwindung der Beugungsgrenze. Federico Capasso und Kenneth Crozier wendete die Technik auf die Laser an, die zum Lesen und Beschreiben von Discs in PCs verwendet wurden. Diese Arbeit kann zu sehr dichten DVD-ähnlichen Speicherdiscs führen, die Hunderte von Filmen enthalten. (Siehe TR10: Ein neuer Fokus für Licht.) Jetzt haben sich die Harvard-Forscher einer anderen Art von Instrument zugewandt, einem sogenannten Quantenkaskaden-Laser, und einem neuen Gebiet, der biologischen Bildgebung.
Quantenkaskadenlaser wurden 1994 von Capasso und anderen bei Bell Labs entwickelt. Diese Laser sind kompakt und robust und können so gebaut werden, dass sie Licht jeder Wellenlänge im gesamten Spektrum des mittleren Infrarots emittieren. Dieses Licht im Bereich von 3 bis 24 Mikrometern ist nützlich, um verschiedene Chemikalien zu identifizieren, da Licht im mittleren Infrarotbereich Moleküle bei identifizierbaren Frequenzen in Resonanz bringt. Quantenkaskadenlaser werden zum Erfassen kleiner Mengen von Gasen, insbesondere von Schadstoffen, in Konzentrationen von nur einem Teil pro Milliarde verwendet.
Crozier und Capasso schufen einen schärferen Fokus für bereits existierende Quantenkaskadenlaser, indem sie zwei winzige Goldbarren schnitzten, wo das Licht emittiert wird. Sie legen eine dünne Goldschicht auf und schnitzen sie dann ab, um zwei rechteckige Antennen mit einem Durchmesser von jeweils einem Mikrometer zu hinterlassen. Wenn der Laser Licht aussendet, bildet sich in der Lücke zwischen den Goldantennen ein intensives elektrisches Feld, das das Licht zu einem Strahl mit der gleichen Breite wie die Lücke, etwa 100 Nanometer, konzentriert. Ein Mikroskop mit einem solchen Laser hätte auch eine Auflösung von etwa 100 Nanometern.
Eine Anwendung, bei der Quantenkaskadenlaser derzeit noch nicht eingesetzt werden, ist die hochauflösende Bildgebung, sagt Claire Gmachl , einem Elektroingenieur an der Princeton University, der in den Bell Labs an der Entwicklung von Quantenkaskadenlasern beteiligt war. Gmachl sagt, dass die Technik für die biologische Bildgebung auf zellulärer Ebene am vielversprechendsten ist. Mikroskope mit den neuen Lasern sollen zum Beispiel Veränderungen einzelner Proteine auf der Oberfläche von Zellen erkennen können.
Mit den optischen Antennen, sagt Crozier, wird die Punktgröße des Laserlichts nur durch die Lücke zwischen den Goldbarren begrenzt. Da sich die Nanofabrikationstechniken verbessern, sollte es möglich sein, optische Mikroskope mit noch höherer Auflösung herzustellen.