Nanopartikel detektieren akustische Schwingungen

  • 16. January 2012

Optisches Verfahren macht Schallwellen auf kleinster Größenordnung messbar.

Wie laut krabbelt ein Floh? Welche Schallwellen verursacht ein wanderndes Bakterium? Physikern des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (Nim) ist es erstmals gelungen, Schallwellen im Größenbereich dieses Mikrokosmos zu messen. Als Nano-Ohr fungiert ein einzelner Goldnanopartikel, der mit einem Laserstrahl in der Schwebe gehalten wird. Der Partikel schwingt durch minimale akustische Anregungen um wenige Nanometer parallel zur Schallrichtung. Diese Auslenkung können die Wissenschaftler um Andrey Lutich an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München mit einer herkömmlichen Videokamera und einem Dunkelfeldmikroskop optisch nachweisen. Das Nano-Ohr ist in der Lage, Lautstärken von etwa -60 Dezibel zu detektieren. Es ist damit eine Million Mal empfindlicher als das menschliche Ohr, das bei null Dezibel seine untere Hörgrenze hat.

Abb.: (a) Schema des Nanoohrs: der optisch gefangene Goldpartikel, (b) Experimenteller Aufbau, (c) Schema für optothermisch erzeugte Laute, (Bild: A. Ohlinger et al., Phys. Rev. Lett.)

Abb.: (a) Schema des Nanoohrs: der optisch gefangene Goldpartikel, (b) Experimenteller Aufbau, (c) Schema für optothermisch erzeugte Laute. (Bild: A. Ohlinger et al., Phys. Rev. Lett.)

Mit der Methode der Münchner Physiker können erstmals unsichtbare, schwächste Bewegungen, sprich Schallwellen, sichtbar gemacht werden. Das Nano-Ohr entwickelten die Forscher in zwei Etappen. „Zunächst haben wir mit einer stärkeren Schallquelle gezeigt, dass die Methode grundsätzlich funktioniert“, erläutert Andrey Lutich. „In einem zweiten Schritt konnten wir dann eine noch deutlich schwächere akustische Anregung nachweisen.“ Zentrales Element ist in beiden Fällen ein 60 Nanometer großes Goldnanopartikel, das über einen roten Laserstrahl in einer optischen Falle in der Schwebe gehalten wird. Die Experimente liefen in einem Wassertropfen auf einem Objektträger ab.

Im ersten Fall diente eine Nadel als Schallquelle. Sie wurde auf einen aktiven Lautsprecher geklebt und sendete Schallwellen in Richtung des Goldpartikels. Mit einem Dunkelfeld-Mikroskop und einer aufgesetzten, herkömmlichen Digitalkamera gelang es den Wissenschaftlern, die Schwingung des Partikels optisch nachzuweisen. Die 30 Sekunden langen Filmaufnahmen zeigen deutlich, wie das Goldpartikel parallel zur Schallrichtung hin und her schwingt.

Im zweiten Fall fixierten die Physiker über das „Nanoprinting“-Verfahren eine kleine Menge Goldnanopartikel auf dem Objektträger. Die Partikel wurden mit einem grünen Laser angeregt, erwärmten sich und sendeten daraufhin sehr schwache Schallwellen in Richtung des einzelnen, schwebenden Goldnanopartikels.

Dabei beeinflussten die Schallwellen den Partikel so schwach, dass seine Auslenkung mit den gegebenen optischen Methoden nicht direkt nachweisbar war. Mithilfe der Fourier-Transformation zeigten die Wissenschaftler jedoch, dass im Frequenzspektrum der Bewegung des Partikels genau die Frequenz der Schallquelle deutlich verstärkt war. Versuche bei anderen Frequenzen bestätigten diese Beobachtung und somit die hohe Empfindlichkeit des Nano-Ohrs.

Das Nano-Ohr kann Informationen über winzige Bewegungen von Zellen, Zellorganellen oder künstlichen mikroskopisch kleinen Objekten liefern. Und das sei ohne teure High-End-Geräte, sondern mit gut etablierten Methoden möglich, so die Forscher.

Nim / PH

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