Meten aan moleculen met de kleinste lichtbron ter wereld

Binnen het vakgebied van de spectroscopie houden wetenschappers zich bezig met het bestuderen van de kleur van het licht dat moleculen uitzenden of absorberen.

Omdat de golflengte van dat licht karakteristiek is voor elk molecuul vormt een spectrum een soort vingerafdruk, waaraan de eigenschappen van het molecuul kunnen worden afgelezen. Tegenwoordig gebruikt men bij het onderzoek in alle gevallen het coherente, monochromatische en vaak zeer intense licht afkomstig van lasers.

Recent is op dat gebied een enorme sprong voorwaarts gemaakt. Chemici van de Universiteit van Michigan zijn erin geslaagd om met behulp van een glasfiber met een doorsnede van 100 nm, kleiner dan de golflengte van het zichtbare licht(!), langs spectroscopische weg de zuurgraad in één enkele cel van een ratte-embryo te meten. (Science, volume 258, pagina 778).

Om het laserlicht in de uiterst dunne fiber te krijgen maakten de onderzoekers gebruik van een slimme truc. De lichtgolven kunnen zich normaal gesproken namelijk helemaal niet voortplanten in de ultradunne fiber, omdat ze er eenvoudigweg niet in passen. Een gewone fiber werd eerst aan één kant zeer ver uitgetrokken, waardoor uiterst dun uiteinde werd verkregen met een diameter van in sommige gevallen minder dan 50 nm. Aan dit smalste uiteinde werd de fiber vervolgens gevuld met een kristal van een materiaal dat het licht kan "opslaan' in de vorm van een zogenaamd exciton. In zo'n exciton wordt de excitatie-energie van één molecuul als het ware verdeeld over een groot aantal moleculen. Zo'n collectieve excitatie kan zich door energieoverdracht voortplanten door het kristal in de fiber en wordt niet gehinderd door doorgangen kleiner dan de optische golflengte: er is immers geen sprake van licht dat zich voortplant. Alleen aan het uiteinde van de fiber, waar het kristal in contact staat met de buitenlucht zal een deel van de moleculen hun energie in licht omzetten: zo ontstaat de kleinste "lichtbron' ter wereld.

Aan dat uiteinde werd vervolgens een zogenaamde indicator vastgemaakt, een kleurstof waarvan het spectrum verandert afhankelijk van de zuurgraad van de oplossing waarin deze zich bevindt.

Het experiment was vervolgens relatief eenvoudig. De fiber werd ingebracht in de cel, waarna aan de andere (brede) kant het laserlicht werd ingekoppeld. De door de excitatie met dit laserlicht opgewekte fluorescentie werd vervolgens gemeten met een lichtgevoelige detector. Dat diende overigens wel te gebeuren via het objectief van een microscoop om de gevoeligheid nog eens te vergroten. Zo konden metingen worden verricht in volumes van niet meer dan femtoliters: de detectie-limiet bleek bij zo'n 3000 moleculen te liggen! Waar het tot voor kort nodig was om voor een meting grote aantallen embryo's te homogeniseren, kan nu met slechts één worden volstaan, dat bovendien intact kan blijven. De onderzoekers zien verder onder meer grote mogelijkheden bij het bepalen van concentratie-gradiënten in het cytoplasma van cellen.