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Graphenmoleküle für die Superauflösungsmikroskopie

Aus Graphen bestehende Nanomoleküle ermöglichen es, die Superauflösungsmikroskopie zukünftig vielfältiger einzusetzen. Gegenüber bisherig verwendeten Materialien bietet Graphen grundlegende Vorteile.

Die physikalische Auflösungsgrenze in der Mikrokopie kann durch die Superauflösungsmikroskopie umgangen werden. Bei der hier angewandten Mikroskopietechnik werden fluoreszierende Partikel durch Licht zum Leuchten angeregt. Das wieder ausgesendete Licht besitzt jedoch eine andere Wellenlänge als das anregende Licht. Die Position dieser fluoreszierenden Partikel kann mit einer größeren Genauigkeit bestimmt werden als durch die Lichtwellenlänge vorgegeben: Wenn sie hierbei zufällig blinken, leuchten zwei benachbarte Partikel typischerweise nicht gleichzeitig. Dies bedeutet, dass deren Signale sich nicht überlagern und hierdurch die Positionen der einzelnen Partikel unabhängig voneinander bestimmt werden können, die Partikel lassen sich also auch bei sehr kleinen Abständen auflösen. Forscher am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) haben nun gezeigt, dass aus Graphen hergestellte Nanopartikel – sogenanntes Nanographen, das aus einer nur eine Atomlage dicken Kohlenstoffschicht besteht – Eigenschaften besitzt, die ideal für diese spezielle Mikroskopietechnik sind.

In der Vergangenheit wurden für diese Art der Mikroskopie bereits andere Materialien eingesetzt, wie Farbstoffe, Quantenpunkte oder auch fluoreszierende Proteine. Nanographen zeigt hierbei optische Eigenschaften, die mit den besten dieser Materialien mithalten können. Zusätzlich zu seinen exzellenten optischen Eigenschaften ist Nanographen nicht toxisch und sehr klein. Im Vergleich zu allen anderen Materialien zeichnet es sich durch die Eigenschaft aus, dass seine Blinkfrequenz unabhängig von der jeweiligen Umgebung ist. Somit kann Nanographen sowohl in Luft wie auch in wässrigen Lösungen oder anderen Lösungsmitteln verwendet werden. Es lässt sich außerdem zusätzlich modifizieren, damit es nur an bestimmten Stellen einer zu untersuchenden Probe haftet, zum Beispiel an einer spezifischen Organelle in einer Zelle.

„Wir haben Nanographen mit dem goldenen Standard bei dieser Mikroskopietechnik verglichen – dem organischen Farbstoff Alexa 647“, sagt Professor Mischa Bonn, Direktor am MPI-P. Dabei konnten die Wissenschaftler feststellen, dass Nanographen ähnlich effizient ist wie der Farbstoff, also ähnlich viel des eingestrahlten Lichts in eine andere Farbe umwandeln kann, hierbei jedoch keine speziell zugeschnittenen Umgebungsbedingungen benötigt, wie dies bei Alexa 647 der Fall ist.

Um das am MPI-P hergestellte Nanographen zu testen, haben die Forscher mit der Gruppe von Professor Christoph Cremer am Institut für Molekulare Biologie (IMB) in Mainz zusammengearbeitet. Es wurde eine Glasoberfläche präpariert, die nanometergroße Risse aufwies. Hier wurden Nanographenpartikel aufgebracht, die sich vor allem in den Rissen anlagerten. Im Vergleich mit konventioneller Mikroskopie konnten sie so zeigen, dass unter Nutzung der Nanographenpartikel die Auflösung um einen Faktor 10 gesteigert werden konnte.

von mn

Originalveröffentlichung:

[X. Liu et al., Nanographenes: ultrastable, switchable, and bright probes for super‐resolution microscopy, Angew. Chem. (2019), DOI: 10.1002/anie.201909220]

www.mpip-mainz.mpg.de

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