Molecuultrillingen waargenomen in een klein zilverbolletje

Wanneer moleculen licht uitzenden, gebeurt dat bij zulke karakteristieke golflengtes dat in het algemeen elk molecuul aan zijn spectrum te herkennen is. Het is echter veel moeilijker aan de hand van deze 'vingerafdruk' iets over de structuur van het molecuul te weten te komen.

Daarvoor zijn andere methoden geschikter. In 1928 ontdekte de Indiase fysicus Venkata Raman dat de golflengte van het licht dat door een oplossing verstrooid werd enigszins verschoven was. Hij toonde aan dat dat het gevolg was van een interactie met trillende moleculen uit de oplossing. De verschuiving kwam namelijk precies overeen met de vibratie-energie van het opgeloste molecuul. Sindsdien is deze Raman-spectroscopie een belangrijk hulpmiddel bij de structuuropheldering van moleculen. De frequentie van de trillingen zegt namelijk onder andere iets over de atomen die aan de trilling meedoen en over de chemische binding daartussen.

Een nadeel is wel dat Raman-signalen meestal vrij zwak zijn, en dus moeilijk te detecteren. Waar het tegenwoordig relatief eenvoudig is om een fluorescentiespectrum van één enkel molecuul op te nemen, leek datzelfde voor een Raman-spectrum vrijwel uitgesloten. Een groep natuurkundigen aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston heeft echter bij toeval een methode ontdekt om Raman signalen enorm te versterken, met soms wel een factor 10 (Physical Review Letters, 3 maart). Daardoor werd het mogelijk om van afzonderlijke moleculen Raman-signalen op te nemen. Bijna tegelijkertijd werden misschien nog wel mooiere resultaten gemeld door chemici van Indiana University (Science, 21 februari). Beide groepen maakten gebruik van kleine zilverbolletjes, van ongeveer een tiende micron (een micron is eenduizendste millimeter), die voor een deel voorzien waren van één of een paar van de te onderzoeken moleculen. Door gebruik te maken van een microscoop kon in een zodanig klein volume worden gemeten dat bij ieder experiment steeds één enkel bolletje door de laser werd geëxciteerd. Toch konden duidelijke Raman-signalen worden verkregen.

De versterkingsfactor bleek sterk afhankelijk van de grootte van de bolletjes: alleen die van rond de 100 nanometer waren 'hot'. Dat is waarschijnlijk ook de reden dat het effect zolang verborgen is gebleven. Zilverbolletjes worden namelijk al veel langer gebruikt om Raman-signalen te versterken, maar pas nu is duidelijk geworden dat dat voornamelijk toe te schrijven moet zijn geweest aan bolletjes van een heel specifieke diameter. Het verschijnsel opent nieuwe mogelijkheden voor het spectroscopisch onderzoek van bijvoorbeeld 'moeilijke', niet-fluorescerende moleculen. Een bijkomend voordeel is dat de moleculen het fotonen-bombardement goed doorstaan. Bij het opnemen van een fluorescentie-spectrum treedt onder soortgelijke omstandigheden vaak bleking op, omdat een molecuul kapot gaat na een bepaald aantal keren te zijn geëxciteerd. Waarom de versterking precies optreedt is overigens nog niet opgehelderd. Daarop kunnen theoretici nog even de tanden stuk bijten.