Chemische Reaktionen in Großaufnahme

Was sich zwischen einzelnen Atomen und Molekülen abspielt, wenn sie miteinander reagieren, lässt sich bis­her nicht direkt beobachten. Die Signale, die durch eine Wechselwirkung von Licht mit Atomen und Molekülen erzeugt werden, sind zu schwach, um sie mit gängigen lichtbasierten Methoden zu erfassen. Ein Jenaer Forschungsteam hat eine Strategie entwickelt, um die schwachen Signale durch plasmonische und nichtli­near optische Effekte zu verstärken – ein erster Schritt zur direkten Beobachtung chemischer Reaktionen an Einzelmolekülen.

Text: Ute Schönfelder

Wir fördern Wissen »zutage«. Wir wol­len die Natur um uns herum »näher beleuchten«. Wenn wir eine Erkenntnis gewinnen, »geht uns ein Licht« auf. Me­taphern über die erhellende Wirkung von Licht gibt es viele. Und das nicht ohne Grund: »Wenn wir etwas über un­sere Umwelt lernen wollen, über Mate­rie und Moleküle, die uns umgeben und die grundlegenden Prozesse, die dar­in ablaufen, brauchen wir Licht«, sagt Chemiker Prof. Dr. Jürgen Popp. »An­gefangen von einfachsten Mikroskopen, die jeder noch aus dem Schulunterricht kennt, bis zu modernsten Bildgebungs­verfahren, die auf der Wechselwirkung von Laserlicht mit Materie beruhen, ist Licht der Schlüssel zu dem, was wir se­hen.«

Popp und seine Teams am Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena und am Leibniz-Institut für Pho­tonische Technologien (IPHT) forschen an spektroskopischen Methoden, die es ermöglichen können, mitten in eine che­mische Reaktion hineinzusehen.

Dafür optimieren sie die Raman-Spek­troskopie (siehe Kasten unten) – ein spektroskopisch-analytisches Verfah­ren, das heute bereits vielfältig Anwen­dung findet, etwa in der Analytik von Trinkwasser, Nahrungsmitteln oder der klinischen Diagnostik für den Nach­weis von Krankheitserregern. Mittels Raman-Spektroskopie lässt sich be­rührungslos jedes Material und jedes Molekül eindeutig identifizieren. »Das Spektrum einer Probe gleicht einem chemischen Fingerabdruck«, veran­schaulicht apl. Prof. Dr. Michael Schmitt aus Popps Team.

Allerdings: Der dem Raman-Signal zu­grundeliegende Effekt der inelastischen Lichtstreuung ist ein schwacher Pro­zess; wollen die Forschenden Einzelmo­leküle betrachten, müssen sie die Signa­le verstärken, um sie überhaupt messen zu können.

Und genau daran arbeiten Jürgen Popp und Michael Schmitt gemeinsam mit PD Dr. Jer-Shing Huang vom IPHT im Rahmen des Sonderforschungsbereichs »Nonlinear optics down to atomic sca­les«. Gerade haben die Forschenden einen ersten entscheidenden Schritt ge­macht: In einer im Fachmagazin »ACS Nano« veröffentlichten Arbeit kombi­nieren sie mit Partnern aus Taiwan zwei Methoden, um das Raman-Signal effek­tiv zu verstärken.

­ Schwaches Raman-Signal wird plasmonisch verstärkt

Zum einen nutzen sie dafür plasmoni­sche Nanostrukturen. Mit solchen optischen Antennen lassen sich selbst nanometerkleine Be­reiche ausleuchten und so die Auflö­sung bildgebender Verfahren erhöhen. Im vorliegenden Fall nutzen die For­schenden plasmonische Strukturen je­doch, um das schwache Raman-Signal selbst zu verstärken: In den Nanostruk­turen werden die Elektronen mit einem Laser zu sogenannten Oberflächenplas­monen angeregt, wodurch ein starkes elektrisches Feld entsteht, mit welchem Moleküle absorbiert und an den Na­nostrukturoberflächen wechselwirken können. Dadurch wird die Wechselwir­kung zwischen Raman-Anregungslicht und den zu untersuchenden Molekülen verstärkt und damit auch die Intensität der Raman-Streuung. Eine Verstärkung des Raman-Signals um bis zu zehn Grö­ßenordnungen lässt sich mittels dieses »Surface-enhanced Raman scattering« (SERS) genannten Verfahrens im Ver­gleich zur unverstärkten Raman-Spektroskopie erreichen.

Für seine Experimente nutzt das For­schungsteam Nanostrukturen aus Gold. Diese werden in spiegelglatte etwa 300 Nanometer dünne Einzelkristalle,  sogenannte Goldflakes, gefräst. »Wir verwenden unterschiedliche Größen und Formen der Nanostrukturen und wollen herausfinden, wie sich das De­sign auf den plasmonischen Effekt aus­wirkt«, erläutert Jer-Shing Huang.