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Diamant-Farbzentren identifizieren
Fluoreszierende Diamantkristalle versprechen vielfältige und vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten, z.B. als Fluoreszenzmarker in der Biologie oder als Prozessoren zukünftiger Quantencomputer. Mit Hilfe der STED-Mikroskopie lassen sich nun selbst dicht gepackte einzelne Farbzentren identifizieren und anregen.
Fluoreszierende Diamanten entstehen durch Fremdatome wie z.B. Stickstoff im Kristallgitter. Geraten diese Atome in die Nähe einer Kristallgitter-Leerstelle, so bilden sich atomare Defektstellen aus, in denen Elektronen mit Laserlicht angeregt werden können. Fallen sie in ihren Grundzustand zurück, wird die Anregungsenergie als Fluoreszenzlicht abgestrahlt. Solche Farbzentren können außerdem atomar kleine Magnete ausbilden. Anwendungsmöglichkeiten sind u.a. Quantencomputer, in denen Farbzentren als kleine Prozessoren die Rechengeschwindigkeit erhöhen könnten. Auch ihre Eignung bei der Verschlüsselung hochsensibler Daten wird derzeit erforscht.
Mittels STED-Mikroskopie (Stimulated Emission Depletion) ist es Forschern am Göttinger MPI für biophysikalische Chemie gelungen, die ersten Bilder dicht gepackter einzelner Farbzentren mit einer Auflösung von 5,8 nm aufzunehmen. Farbzentren in Diamant, die nur Bruchteile des bisherigen Grenzabstands voneinander entfernt waren, konnten einzeln abgebildet und ihre Position bis auf 0,15 nm genau bestimmt werden.
Mit diesem Verfahren können auch dicht gepackte Farbzentren mit fokussiertem Licht einzeln adressiert werden, obwohl Licht und herkömmliche Optik bis vor kurzem aufgrund der Beugung dafür vollkommen ungeeignet schienen. Auch für die Kristallographie soll dieses Verfahren einsetzbar sein.
Außerdem wollen die Forscher die Nanostrukturen lebender Zellen untersuchen indem sie Kristalle als winzige Nanopartikel zum Markieren der Zellen einsetzen. „Organische Fluoreszenz-Farbstoffe, die wir bisher routinemäßig bei STED einsetzen, haben den Nachteil, dass sie flackern und am Ende ausbleichen“, sagt Doktorandin Eva Rittweger. „Dagegen bleiben Farbzentren im Diamant auch im STED-Mikroskop äußerst photostabil.“ Zudem ist bei der Abbildung von Gitterdefekten in Diamantkristallen mittels überauflösender STED-Mikroskopie der Durchmesser des fokalen Lichflecks nur 8 nm groß, d.h. 28-mal kleiner als bei herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopie-Verfahren.
Forschergruppen in Würzburg, Stuttgart, Asien und Amerika arbeiten daran, Nano-Diamanten auch in der biologischen und medizinischen Grundlagenforschung einzusetzen. „Wenn es gelänge, die Eigenschaften im Kristall auf winzige Diamant-Nanokristalle zu übertragen, hätte man automatisch eine Fluoreszenz-Nanoskopie ohne Bleichen – und damit einen weiteren sehr leistungsfähigen Zugang zur Nanoskala der Zelle“, so Prof. Stefan Hell.
* http://www.mpibpc.mpg.de