Interaktionen von Fluorophoren mit Dünnschicht-Metamaterialien

Kürzlich haben sogenannte `Superlinsen` im Zusammenhang mit neuen bildgebenden Verfahren oder optischen Tarnkappen sehr viel Aufmerksamkeit erregt. Solche Superlinsen können aus gestapelten Metall-Dielektrik Schichten bestehen, die nanometerdünn auf ein Substrat aufgebracht werden. Im Rahmen dieses Forschungsantrags werden die optischen elektromagnetischen Eigenschaften verschiedene Designs solcher gestapelter Metall- Dielektrik Schichten untersucht. Die Schichtparameter können dabei so eingestellt werden, dass sie verschiedene resonante und nicht-resonante Exzitationen unterstützen, über die noch nicht viel bekannt ist. Die Untersuchung der korrespondierenden Wechselwirkungen mit Fluoreszenzemittern ist für verschiedenste Forschungsfelder von höchstem Interesse, da sie in der Nano-Optik, Nano-Photonik oder den hochauflösenden Mikroskoptechnologien eingesetzt werden könnten. Neben der Transmissions- und Reflektionseigenschaften der von uns entworfenen Superlinsen Werden wir die optischen Eigenschaften von fluoreszenten Molekülen in der unittelbaren Nähe der Superlinse untersuchen; besonders die Fluoreszenzlebensdauer für verschiedene nanometer-Abstände von der Superlinse sind von Bedeutung. Falls unser vorgeschlagenes Superlinsendesign tatsächlich die vorhergesagten Exzitation/Dissipation und Transmissionsmoden unterstützt, werden Änderungen in der Fluoreszenzlebensdauer, Fluoreszenzlöschung, oder Transmissionseigenschaften der Superlinse darüber Auskunft geben. Genaue Informationen darüber wie diese Parameter mit dem Superlinsen-Fluorophor-Abstand variieren, macht es möglich die Vorhersagen über die superlinsenunterstützten Moden zu bestätigen oder zu korrigieren.

Dieses interdisziplinäre Projekt untersucht, wie Wechselwirkungen zwischen fluoreszierenden Marker-Molekülen auf speziell beschichteten biokompatiblen Oberflächen auslesbar gemacht und optimiert werden können. Wir zeigen, wie man den exakten Abstand solcher Marker-Moleküle von solchen, speziell designten Oberflächen mit einer Präzision von 5-10 Nanometer optisch auslesen kann. Die von uns entwickelten Beschichtungen, die ein solches Auslesen ermöglichen, basieren auf metallisch-dielektrischen Dünnschicht-Kompositen, die auf handelsübliche Quarz-Objektträger aufgebracht werden. Diese modifizierten Objektträger stellen ein faszinierendes Werkzeug dar, mit dessen Hilfe wir fluoreszenzbasierte Bildgebung verbessern können und trotz der üblichen optischen Auflösungsgrenze von 250 Nanometern, die Tiefenposition von Objekten im Bild mit mehr als zehnfach höherer Genauigkeit von bis zu 5 Nanometern bestimmen können.Ein Auflösungsvermögen jenseits der verfahrensüblichen Grenzen wird oft als Superauflösung bezeichnet. Von funktionaler Superauflösung wie in unserem Fall spricht man, wenn die Ortsbestimmung von Elementen im Bild genauer als die üblichen 250 Nanometer Auflösung durch technische Tricks möglich ist. Unser Trick basiert auf speziellen Oberflächen, auf die die Probe aufgebracht werden kann. Warum benötigen wir überhaupt diese Genauigkeit und was sind die Voraussetzungen für die Durchführbarkeit eines solchen Vorhabens?Die äußere Zellmembran, auch Plasmamembran genannt, kann man als Eingangstor zur Zelle verstehen. Eine nanometergenaue Visualisierung von Proteinen an oder in der Zellmembran stellt für verschiedene Bereiche der Lebenswissenschaften eine fantastische Möglichkeit dar, die Vorgänge und Mechanismen dieses Eingangstores sichtbar zu machen. Leider ist eine solche genaue Visualisierung in der Tiefe der Probe oft die Achilles Ferse der modernen Lichtmikroskopie. Ein weiterer Nachteil vieler etablierter Mikroskopieverfahren besteht in der Notwendigkeit die Probe (axial) abzurastern. Dies kann sowohl für optisch empfindliche Proben als auch für dynamische Proben nachteilig sein, wenn es auf die Aufnahmegeschwindigkeit ankommt. Wie überwinden wir diese Hürde? Wir vermeiden ein rastern, indem wir mit Hilfe der speziell designten Beschichtungen stattdessen spektrale (Farben) Information in die gewünschte räumliche Information übersetzen. Änderungen des Lichtspektrums sind über verschiedene Farbkanäle in eine modernen Mikroskop einfach auszulesen ? eine perfekte Voraussetzung für eine superauflösende Mikroskopietechnik. Die kürzlich erzielten Fortschritte in der Herstellung geeigneter Beschichtungen ermöglichen es nun unsere aus Silber und glasähnlichen dielektrischen Materialien bestehenden Schichten, exakt zu charakterisieren. Diese biokompatiblen Beschichtungen können auf handelsübliche Mikroskopie-Objektträger oder Deckgläser aufgebracht werden, und sind somit in der Zellkultur ohne bestimmte Vorkehrungen einsetzbar. In einem Versuch mit lebenden Zellen konnten wir zeigen, dass es so möglich ist, die Position und Dynamik von Schlüsselproteinen für die Zellbeweglichkeit zu bestimmen, eine wichtige Information zum Verständnis von Zelldynamiken, die mit herkömmlichen lichtmikroskopischen Verfahren nicht zugänglich ist.