Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Osaka Universität in Japan hat die Vibrationen eines Bündels von DNA-Strängen untersucht und daraus ein Bild der Moleküle mit einer Auflösung von 15 Nanometern hergestellt. Dies gelang durch die Bestrahlung der Molekülstränge mit zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenz, von denen einer durch die Temperaturschwingungen der Moleküle verstärkt wurde. Die hohe Auflösung wurde durch eine winzige Metallspitze ermöglicht, die über das Untersuchungsobjekt bewegt wurde. Darüber berichtet das Fachmagazin Physical Review Letters (Bd. 92, Artikel 220801).
Um die Vibrationen der DNA-Moleküle in ein Bild zu verwandeln, griffen die Forscher um Yasushi Inouye und Satoshi Kawata zu einem eleganten Trick: Sie bestrahlten die Moleküle mit zwei Infrarotlasern unterschiedlicher Frequenzen. Die Frequenzdifferenz der beiden Strahlen wurde dabei genau so justiert, dass sie mit der Frequenz einer Schwingung des DNA-Strangs übereinstimmte. Auf diese Weise konnte ein Photon des niederfrequenten ? und damit energieärmeren ? Laserstrahls durch Aufnahme der Energie der Molekülschwingung in ein Photon des höherfrequenten Strahls verwandelt werden.
Diese in der Fachwelt als kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuung bekannte Methode wird schon seit längerem für chemische Untersuchungen angewendet. Allerdings ist die räumliche Auflösung auf die Breite des fokussierten Laserstrahls beschränkt ? im besten Falle also auf etwa einen Fleck mit einem Durchmesser der halben Lichtwellenlänge.
Um die Auflösung zu verbessern, rasterte das japanische Team die untersuchten Moleküle daher zusätzlich mit einer sehr feinen Metallspitze ab, die sich in einer Höhe von nur wenigen Nanometern über der Moleküloberfläche bewegte. Das auf die Spitze auftreffende Laserlicht regte die freien Elektronen der Spitze nun zu Schwingungen an. Dadurch wurde das Lichtfeld in der Umgebung der Spitze zusätzlich verstärkt.
Auf diese Weise konnten die Forscher dann ein Bild des Objekts mit einer Auflösung erzeugen, die im wesentlichen von der Größe der Metallspitze abhing ? genauer gesagt von deren Krümmungsradius. So gelang es, die Auflösung auf 15 Nanometer zu verbessern. Die Forscher hoffen nun, mit ihrer Methode schon bald funktionelle Gruppen wie etwa Basen auf einem einzelnen DNA-Strang abbilden zu können.
Stefan Maier