Single-Molecule Sensoren: Optik und Elektronik für einzelne Moleküle

In einer Studie, die die Basis für Massenprodukte in dem Bereich Single-Molecule Sensoren legen könnte, haben Physiker und Ingenieure der Rice University mit optischen und elektronischen Mitteln simultan dasselbe Molekül gemessen.01.03.2008

Die Experimente fanden mit einem nanoelektronischen Gerät statt, das aus zwei winzigen Elektroden besteht, die durch eine molekülgroße Lücke getrennt sind. Die Forscher nutzten Strom, um die Leitung durch ein einzelnes in der Lücke steckendes Molekül zu messen. Außerdem ermöglichten Licht fokussierende Eigenschaften der Elektroden den Forschern, das Molekül durch einen einzigartigen optischen Fingerabdruck zu identifizieren.

“Wir können diese Elektroden in Massenproduktion herstellen und sie haben diese Sensitivität für einzelne Moleküle bei Raumtemperatur und außerhalb von Räumlichkeiten“, sagt der Co-Autor der Studie Douglas Natelson, stellvertretender Professor der Physik und Astronomie und Co-Direktor der Quantum Magnetism Laboratory (QML) an der Rice University.

Wissenschaftler benutzen schon seit einiger Zeit elektronische und optische Instrumente, um einzelne Moleküle zu messen, aber das neue System ist das erste, das beide Herangehensweisen bei der Messung eines einzigen kleinen Moleküls kombiniert – das nennt man “multimodales” Sensing.

Die Elektroden bündeln Licht nahe des infraroten Spektrums in der winzigen Lücke und erhöhen so die Intensität des Lichtes um fast eine Million Mal. Diese erhöhte Intensität ermöglicht es dem Team mit „Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) die einzigartigen optischen Signaturen der Moleküle zu sammeln.

“Unsere letzten Resultate zeigen, dass wir die Sensitivität erreicht haben, die man braucht, um einzelne Moleküle zu messen,” so der Direktor Naomi Halas, Professor für Electrical and Computer Engineering und Professor der Chemie. „Diese Sensitivität und die multimodalen Fähigkeiten des Systems sind ein wichtiges Werkzeug, um Basiswissenschaft auf der Nanoebene zu betreiben.“

Natelson ist der Meinung, dass das neue multimodale Gerät Wissenschaftlern einen besseren Einblick in ihre Forschung gäbe, weil es zwei verschiedene Arten des Messens miteinander verbinde – elektronisch und optisch. „Wir wissen, dass die Leitfähigkeit über unsere Elektroden von einem Quantum-Effekt, dem ‚Tunneling’, abhängt. Die Lücken sind so klein, dass es nur ein bis zwei Molekülen möglich ist, Teil dieser Leitfähigkeit zu sein. Wenn wir also eine Leitfähigkeit bekommen und wir sehen den optischen Fingerabdruck eines bestimmten Moleküls, und diese stimmen miteinander überein, dann wissen wir, dass wir ein einzelnes Molekül messen und wir wissen, was dies für ein Molekül ist. Wir können sogar sagen, wann es rotiert oder wann es seine Position ändert.“

COMPAMED.de; Quelle: Rice University