Licht auf die Spitze getrieben

24.06.2008: Klassische Rastertunnelmikroskope liefern überaus scharfe Bilder von Atomlandschaften, leider aber nur in schwarz-weiß: Ein Atom sieht darin aus wie das andere. Optische Mikroskope dagegen unterscheiden Stoffe mithilfe deren Farbspektrum, können aber bisher einzelne Atome oder einzelne Moleküle überhaupt nicht unterscheiden. Das verbesserte optische TERS-Mikroskop der Universität Tübingen und des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin erreicht nun eine Auflösung, die für optische Mikroskope lange als undenkbar galt. Es bildet einzelne Moleküle mit Hilfe ihres abgestrahlten Ramanlichtes ab. Seine Auflösung von 15 Nanometer ist mit der von Rasterkraftmikroskopen vergleichbar. Das ist der Neuerung der Forscher zu verdanken: Sie bündeln den Lichtstrahl des Mikroskops mit Hilfe eines Parabolspiegels und einer sehr scharfen Goldspitze und beleuchten so den kleinstmöglichen Ausschnitt ihrer Probe.

Wenn der Max-Planck-Physiker Bruno Pettinger an seinem Rechner eine seiner Mikroskop-Aufnahmen betrachtet, erinnert das Bild ein klein wenig an ein alpine Landschaft. Das dreidimensionale Bild zeigt eine zerklüftete Ebene mit mehreren scheinbar schneebedeckten Bergen. Nur sind es keine Berge, sondern verstreute Moleküle des Farbstoffs Brillantkresylblau auf einer Gold-Oberfläche. Solche Aufnahmen von Rastertunnelmikroskopen kennt man zuhauf, neu ist allerdings, dass eine solche Messung noch ein weiteres Bild liefert.

Es zeigt das Leuchten der Moleküle. Mit den Farben dieses Lichts, dem sogenannten Ramanspektrum, bestimmt Pettinger welches Molekül wo sitzt - so als nenne er die einzelnen Berge beim Namen. Die Auflösung dieser Spektroskopie haben die Forscher in ihrem Mikroskop auf 15 Nanometer verbessert und damit erstmals auf direktem Weg einzelne Moleküle an Hand ihres Ramanspektrums identifiziert.

In Zukunft könnte diese Technik beispielsweise Nanoteilchen abbilden, die die Oberfläche von Katalysatoren bevölkern und dort fremde Moleküle einfangen. Mit einem Bild der unterschiedlichen Gestalten dieser Teilchen und der an ihnen haftenden Moleküle lässt sich ermitteln, wie ihre katalytischen Eigenschaften entstehen.

Derzeit verfügbare optische Mikroskope geben mit wenigen, noch unausgereiften Ausnahmen neben der Art nicht gleichzeitig den Ort der Moleküle an. So kann man mit der bisherigen Ramanspektroskopie zwei verschiedene, benachbarte Moleküle nicht unterscheiden, selbst wenn sie 200 nm von einander entfernt sind. Im Landschaftsbild würde das bedeuten: Die einzelnen Gipfel im Gebirge wären zu verschwommen, um sie auseinanderzuhalten. Die Aufnahme würde eine kaum strukturierte, große Ebene in einer Mischfarbe zeigen. Im Gegensatz dazu könnte ein klassisches Rastertunnelmikroskop sogar einzelne Felsbrocken - also Atome - abbilden, aber eben alle nur in grau. Welche Elemente darin vorkommen, geben die Steine nicht preis.

Das Mikroskop der Arbeitsgruppen um Alfred Meixner an der Universität Tübingen und Bruno Pettinger am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin verknüpft die Vorteile beider Techniken. Die beiden Forschungsteams arbeiteten allerdings zunächst unabhängig voneinander. Bei einem Besuch im Labor tauschten die befreundeten Wissenschaftler ihre Ideen aus und kamen schließlich zu ähnlichen Ergebnissen mithilfe von Parabolspiegeln statt Linsen. "Es ist praktisch, dass wir eine zeitlang Konkurrenten waren", sagt Meixner. "Das Prinzip hat in beiden Laboren funktioniert. So wissen wir, dass es hält, was es verspricht."

Das erwähnte Prinzip kombiniert die beiden Techniken der Rastertunnelmikroskopie und der Ramanspektroskopie (Tip Enhanced Raman Scattering, TERS) - mit einer belichteten, scharfen Spitze. In Rastertunnelmikroskopen tastet die Metallnadel die Oberfläche der Probe ab, in TERS-Mikroskopen verstärkt sie die erwünschten optischen Effekte. Die Forscher haben zu diesem Zweck sehr feine Goldspitzen hergestellt, deren Durchmesser etwa 15 Nanometer beträgt.

Für das Höhenprofil der Probe fährt die Goldspitze die Struktur der Oberfläche wie in einem Rastertunnelmikroskop nach. Sobald sie eine Erhebung, also ein Molekül, ausfindig gemacht hat, kommt die Neuerung der Tübinger und Max-Planck-Forscher ins Spiel. Denn die Ramanstreuung ist sehr schwach. Für ein auswertbares Signal von nur einem Molekül muss sie enorm verstärkt werden. Dafür fokussieren die Forscher Laserstrahlen mit einem parabelförmigen Hohlspiegel perfekt auf die Nadel. Das elektromagnetische Feld der Strahlen wird dabei entlang der Spitze ausgerichtet und versetzt die Ladungsträger in Metallspitze und Probenoberfläche in Schwingung. Die Spitze ist nur einen Nanometer von der Probe entfernt, sodass sich das Licht auf einen extrem kleinen Raum im Spalt konzentriert. Nicht nur die Goldspitze leuchtet dann, sondern auch die Erhebungen auf der Oberfläche direkt darunter. Dort erzeugen Moleküle eine millionenfach stärkere Ramanstrahlung als weiter von der Spitze entfernt.

Die leuchtende Goldnadel im Mikroskop wirkt wie eine Antenne. Die Laserstrahlen regen ihre extrem scharfe Spitze an, Lichtwellen einer Frequenz auszusenden. Auf dem Weg durch den Spalt zwischen Spitze und Probenoberfläche werden die Wellen allerdings von kleinen Hindernissen gestört: den Molekülen, die auf der Probenoberfläche sitzen. Sie zapfen den Wellen ganz bestimmte Energiemengen ab, um selbst zu schwingen und hinterlassen dabei eine Art chemischen Fingerabdruck in den Strahlen. Dieses Phänomen nennt man Ramanstreuung. Der Parabolspiegel sammelt den größtmöglichen Teil der gestreuten Strahlung rund um den Spalt ein. Die Forscher können sich nun ans Auswerten machen und die bislang unbekannten Stoffe unter ihrem Mikroskop an Hand des Ramanspektrums identifizieren.

Mit dem TERS-Mikroskop erreichen die Forscher eine 30-mal höhere Auflösung als klassische, beugungslimitierte optische Mikroskope, die Lichtstrahlen etwa mit Linsen bündeln. Für letztere ist die Auflösung auf die Größe einer halben Wellenlänge des Lichtes begrenzt, hier wären das etwa 300 nm. Dies galt lange Zeit als absolute Obergrenze der Auflösung von Lichtmikroskopen. Die Auflösung des TERS-Mikroskops wird hier allerdings anders begrenzt, nämlich von der Größe der verwendeten Goldspitze. So wird die Beugungsbegrenzung überlistet, da die einzelnen Bildpunkte nicht direkt durch Licht abgebildet werden, sondern durch das Rastern der Goldspitze über die Oberfläche.

Wegen seiner hohen Auflösung und Nachweisempfindlichkeit ist diese Art der Mikroskopie nicht nur für die Untersuchung von Katalysatoren interessant, sondern beispielsweise auch für die Sequenzierung von DNA oder für die Abbildung von Nanostrukturen in Halbleitern. Die Auflösung ihres TERS-Mikroskops wollen Pettinger und Meixner weiter verbessern, indem sie noch schärfere Spitzen verwenden. "Mit Hilfe unseres TERS-Mikroskops werden wir auch Forschungen in dem noch jungen, aber äußerst interessanten Gebiet der Einzel-Molekül-Spektroskopie vorantreiben", sagt Pettinger.

Originalveröffentlichungen: Jens Steidtner, Bruno Pettinger; "Tip-Enhanced Spectroscopy and Microscopy on Single Dye Molecules with 15 nm Resolution"; Physical Review Letters 2008

Marcus Sackrow, Catrinel Stanciu, M. Andreas Lieb and Alfred J. Meixner; "Imaging Nanometre-Sized Hot Spots on Smooth Au Films with High-Resolution Tip-Enhanced Luminescence and Raman Near-Field Optical Microscopy"; ChemPhysChem 2008.