Aktuelles: Wei?t du, wie viel Sternlein stehen?

Wer hat nicht schon in einer lauen Sommernacht das Himmelszelt betrachtet und über die Weite des Universums nachgedacht? Das geschulte Auge kann die Andromeda-Galaxie als fernen Fleck ausmachen. Dank neuester Teleskope wissen wir, dass dieser aus über einer Billionen Sternen besteht. Auch im Nanokosmos erscheinen Anh?ufungen einzelner Lichtquellen, wie beispielsweise Moleküle, als scheinbare Punkte. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e Lichtquellen auch r?umlich aufzul?sen ist die Motivation der ultraschnellen Nanoskopie, ein Ziel, das im derzeit in Entstehung befindlichen Regensburger Forschungszentrum RUN (externer Link, ?ffnet neues Fenster) verfolgt wird. Wissenschaftler:innen um Dr. Jan Vogelsang von der Universit?t Regensburg, Dr. Gordon Hedley (Glasgow) und Professor Dr. Philip Tinnefeld (LMU München) berichten nun in der Zeitschrift Nature Communications darüber, wie sich diese Moleküle z?hlen lassen.

Die Forscher:innen platzierten einzelne Moleküle eines Farbstoffs in wohldefinierten Abst?nden zueinander. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网 wird mit einer neuartigen Methode, dem sogenannten ?DNA-Origami“ erreicht. Hierbei wird auf DNA, das Speichermedium der Biologie, zurückgegriffen. Es wird derart programmiert, dass die Moleküle sich durch Faltung der DNA wie gewünscht in Abst?nden von wenigen Nanometern anordnen (siehe Abbildung).

Unter dem Lichtmikroskop ist das Leuchten der einzelnen Moleküle auf dem Origami zun?chst nicht auseinanderzuhalten. Um die Moleküle tats?chlich aufzul?sen, wird ein weiterer Trick verwendet. Das Licht der Origami-Struktur wird durch einen halbdurchl?ssigen Spiegel geleitet und auf beiden Seiten des Spiegels von jeweils einer Photozelle aufgezeichnet.

Dabei ist zu beachten, dass ein einziges Molekül nur ein einziges Lichtteilchen pro Zeitpunkt ausstrahlen kann. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网es Teilchen wird nur von dem einen oder dem anderen Detektor aufgezeichnet, nicht aber von beiden. Durch Betrachtung der zeitlichen Abfolge, in der das Licht auf die einzelnen Detektoren trifft, wird eine Aussage über die exakte Anzahl der leuchtenden Moleküle in der Origami-Struktur m?glich. Somit lassen sich einzelne Moleküle z?hlen. Die Anzahl der Moleküle wird durch die Programmierung der DNA vorgegeben. Eine Origami-Struktur mit einem Farbstoff emittiert genau ein Lichtquant, eine mit fünf eben fünf.
 
Nun k?nnen die einzelnen Moleküle auch untereinander in Wechselwirkung treten. Durch Bestrahlung mit Licht nimmt der Farbstoff Energie auf. 百利宫_百利宫娱乐平台￥官网e kann er entweder wieder in Form von Licht abstrahlen, oder aber an einen benachbarten Farbstoff weitergeben. Befindet sich dieser hingegen bereits schon in einem angeregten Zustand, so treffen zwei Anregungen aufeinander. Wie etwa bei zwei Autos, die gleichzeitig auf einen Stellplatz zu fahren versuchen, kommt es zur Zerst?rung der Anregung. Eine solche ?Annihilation“ ist in der molekularen Optoelektronik wie in OLEDs oder Solarzellen von gro?er Bedeutung, ebenso auch in der h?chstaufl?senden Mikroskopie.

Die Forschungsgruppe um Dr. Vogelsang konnte nun zeigen, dass sich die nanoskopische Wechselwirkung der Farbstoffmoleküle untereinander durch eine zeitliche Aufl?sung der Ankunft der Lichtteilchen an den beiden Detektoren direkt verfolgen l?sst. Somit ergibt sich eine neuartige Methode der ultraschnellen Nanoskopie molekularer Komplexe, die auch in den Lebenswissenschaften Anwendung finden wird.

Originalpublikation

Gordon J. Hedley, Tim Schr?der, Florian Steiner, Theresa Eder, Felix Hofmann,
Sebastian Bange, Dirk Laux, Sigurd H?ger, Philip Tinnefeld, John M. Lupton and Jan
Vogelsang, Picosecond time-resolved photon antibunching measures nanoscale exciton motion and the true number of chromophores, in: Nature Communications
 DOI: 10.1038/s41467-021-21474-z (externer Link, ?ffnet neues Fenster)