Spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie: Analytische Wissenschaften im Wandel

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"Sehen heißt glauben" ist eine häufig verwendete Phrase in den wissenschaftlichen Korridoren. Die Mikroskopie ist daher ein großartiger Zweig, der es den Forschern ermöglicht, Dinge auf eine Art und Weise sichtbar zu machen, die zuvor für unmöglich gehalten wurde. Trotz der Spitzfindigkeiten, die mit der Interpretation vieler durch die Mikroskopie gewonnener Bilder verbunden sind, sind Wissenschaftler und das allgemeine Publikum immer wieder von visuellen Beweisen angetan, die die Feinheiten einer Zelle, eines Moleküls oder eines Nanopartikels aufzeigen. Das Aufkommen elektronenbasierter Mikroskopietechniken wie der Rastertunnelmikroskopie hat den Forschern die Möglichkeit gegeben, in die Welt der Atome einzutauchen. Mit anderen Worten: Diese Techniken haben es möglich gemacht, sogar Moleküle mit atomarer Auflösung zu betrachten.

The charm of an image detailing the components of a complicated system, say a DNA molecule, is enduring, however the flip side is that spectroscopic characterization of the sample is essential to understand the events happening at the microscopic or nanoscopic scale. Spektroskopie and microscopy should therefore go hand in hand, and scientists as early as in 1985 have suggested combining scanning probe techniques with methods like Raman or Infrared spectroscopy to get simultaneous information of the topography as well as the chemical nature. Spitzenverstärkte Raman-SpektroskopieTERS ist eine solche Methode, die die Rasterkraftmikroskopie oder STM mit der Raman-Spektroskopie kombiniert. Diese einzigartige Kombination gibt dem analytischen Wissenschaftler die Möglichkeit, die Oberfläche im optischen, topographischen und chemischen Detail zu betrachten. Bisher hielt man es für unmöglich, ein Objekt zu betrachten, dessen Abmessungen kleiner als die halbe Wellenlänge des Lichts sind. Diese Grenze ist allgemein als Abbe-Grenze bekannt. TERS jedoch durchbricht diese Grenze, indem es die Auflösung auf molekularer Ebene mit dem zusätzlichen Vorteil der chemischen Information ermöglicht. Der Mechanismus ist in einer Nussschale schematisch dargestellt.


Schematische Darstellung eines TERS-Aufbaus für die Nukleinsäureanalyse. Reproduziert aus Referenz (Link)

Bei der TERS-Technologie wird unter dem einfallenden Laserlicht ein nanometrisches, lokal verstärktes Feld in unmittelbarer Nähe der metallisierten Spitzenspitze als lokale Anregungsquelle im Nanometerbereich erzeugt. Es kann zur lokalen Anregung des optischen Signals der Probe und zur Erzeugung von Raman-Streuung nur in dem Nanovolumen in unmittelbarer Nähe des Spitzen-Apex verwendet werden. Die Spitzenspitze ist der Schlüssel zu TERS, da sie als lokale Streuung das lokalisierte evaneszente Feld verstärkt und in das Fernfeld streut, um es zu sammeln und zu detektieren. Er sorgt für eine hohe Verstärkung und Auflösung jenseits der Beugungsgrenze. Im Wesentlichen ist TERS in der Lage, Bilder mit submolekularer Auflösung aufzunehmen, die die spektrale Signatur jedes von der Spitze untersuchten Punktes enthalten.

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Prof. Volker Deckert und Mitarbeiter (von der Friedrich-Schiller-Universität Jena, Deutschland) haben TERS zur Sequenzierung eines RNA-Moleküls verwendet. Die Anwendung von TERS auf Nukleinsäuren war eine Offenbarung, da sie die Auflösung von eng beieinander liegenden einzelnen Nukleobasen ermöglicht (siehe Schema). Eine andere Gruppe an der ETH Zürich unter der Leitung von Prof. Renato Zenobi hat die Raman-Spektren der DNA umfassend charakterisiert. Diese Studien können nun möglicherweise zum Verständnis der Wechselwirkungen von DNA mit Molekülen wie Proteinen, Krebsmedikamenten usw. führen. In einem anderen BerichtIn diesem Zusammenhang wurde eine TERS-Studie über Amyloid β durchgeführt (ein sekretiertes proteolytisches Derivat des Amyloid-Vorläuferproteins, das ein entscheidender Faktor für das frühe "synaptische Versagen" ist, das bei der Entstehung der Alzheimer-Krankheit zu beobachten ist), wodurch die immense Anwendbarkeit von TERS in unerforschten Bereichen der Biologie deutlich wird.

Trotz der Herausforderungen, die damit verbunden sind, TERS zu einer Routineanalysetechnik zu machen, sieht ihre Zukunft für biologische Studien vielversprechender denn je aus. Abschließend kann man sagen, dass die sprichwörtliche Linie "Ein Bild sagt mehr als 1000 Worte"scheint für ein TERS-Bild geeignet zu sein, mit der leichten Änderung, dass "Ein TERS-Bild ist mehr wert als 1000 Spektren mit unbezahlbaren chemischen Informationen..

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Über den Autor

Sugosh arbeitet derzeit als Postdoktorand an der KU Leuven (Belgien). Er hat am Bhabha Atomic Research Centre in Mumbai, Indien, promoviert. Seine derzeitige Forschungsarbeit konzentriert sich auf die Nanoskopie von kovalenten organischen 2D-Gerüsten auf 2D-Materialien unter Verwendung von Techniken wie Rastertunnelmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie und vor allem spitzenverstärkter Raman-Spektroskopie. Wenn er nicht in der Forschung tätig ist, hört er gerne klassische indische Musik und liest.

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