Nanoteilchen sind allgegenwärtig: Viren in der Raumluft, Proteine im Körper, Bausteine neuer Materialien für die Elektronik oder in Oberflächen­beschichtungen. Wer die winzigen Partikel sichtbar machen will, hat ein Problem: Sie sind so klein, dass man sie unter einem optischen Mikroskop meist nicht sieht. Forscher am Karlsruher Institut für Techno­logie haben jetzt einen Sensor entwickelt, mit dem sie Nano­teilchen nicht nur aufspüren, sondern auch ihre Beschaffen­heit bestimmen und ihre räumliche Bewegung nach­ver­folgen können.

Gängige Mikroskope erzeugen stark vergrößerte Bilder von kleinen Strukturen oder Objekten mit Hilfe von Licht. Weil die Nano­teilchen aufgrund ihrer Winzig­keit kaum Licht absorbieren oder streuen, bleiben sie unsichtbar. Optische Resonatoren verstärken die Wechsel­wirkung zwischen Licht und Nano­teilchen: Sie halten Licht auf kleinem Raum gefangen, indem es tausende Male zwischen zwei Spiegeln reflektiert wird. Befindet sich ein Nano­teilchen in dem gefangenen Lichtfeld, dann wechsel­wirkt das Nanoteilchen tausende Male mit dem Licht, so dass die Änderung der Licht­intensität messbar wird. „Weil das Lichtfeld an verschiedenen Stellen im Raum unter­schiedliche Intensitäten hat, können wir Rück­schlüsse auf die Position des Nanoteilchens im drei­dimen­sionalen Raum ziehen“, sagt Larissa Kohler vom KIT.

Doch nicht nur das. „Wenn sich ein Nano­teilchen in Wasser befindet, stößt es mit den Wasser­molekülen zusammen, welche sich aufgrund von thermischer Energie in will­kürliche Richtungen bewegen. Durch die Stöße führt das Nano­teilchen eine Art Zitter­bewegung aus. Auch diese Brownsche Bewegung können wir nun nach­voll­ziehen“, so Kohler. „Bislang konnte mit einem optischen Resonator nicht die räumliche Bewegung eines Nano­teilchens nachverfolgt werden, sondern man konnte nur sagen, dass sich das Teilchen im Lichtfeld befindet oder nicht.“

Obendrein eröffne der neuartige faser­basierte Fabry-Pérot-Resonator, bei dem sich die hoch­reflek­tierenden Spiegel auf den Endflächen von Glasfasern befinden, die Möglich­keit, aus der drei­dimen­sionalen Bewegung den hydro­dynamischen Radius des Teilchens, also die Dicke der es umgebenden Hülle aus Wasser, abzuleiten. Das ist entscheidend, weil diese die Eigen­schaften des Nano­teilchens verändert. „Zum Beispiel können aufgrund der Hydrat­hülle noch Nanoteilchen detektiert werden, die ohne diese Hülle zu klein wären“, sagt Kohler. Ebenso könnte die Hydrathülle um Proteine oder andere biologische Nano­teilchen einen Einfluss bei biologischen Vorgängen haben.

Einsatzmöglichkeiten für ihren Resonator sehen die Forscher bei der zukünftigen Detektion der drei­dimen­sionalen Bewegung mit hoher zeit­licher Auflösung und der Charakte­ri­sierung der optischen Eigen­schaften von biologischen Nano­teilchen, wie zum Beispielen Proteinen, DNA-Origami oder Viren. Der Sensor könnte damit Einblicke in noch nicht verstandene biologische Vorgänge ermöglichen.

KIT / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Kohler et al.: Tracking Brownian motion in three dimensions and characterization of individual nanoparticles using a fiber-based high-finesse microcavity, Nat. Commun. 12, 6385 (2021): DOI: 10.1038/s41467-021-26719-5
• Cavity Quantum Optics, Physikalisches Institut, Karlsruher Institut für Technologie