Nieuwe microscoop combineert het beste van twee werelden
Leidse natuurkundigen krijgen 1,5 miljoen euro voor het ontwikkelen van een hybride microscoop met nanometer-resolutie. 'Het idee is om de voordelen van elektronenmicroscopen te combineren met die van optische microscopen.'
Een nieuwe beeldtechniek moet afzonderlijke eiwitten en biomoleculen afbeelden met een resolutie van 5 nanometer, net iets meer dan de grootte van een atoom. Optical Near Field Electron Microscopy, ofwel ONEM, noemen natuurkundigen uit Leiden, Wenen en Praag de techniek, die ze de komende jaren gaan ontwikkelen. ONEM is ook geschikt voor andere materialen zoals metalen.
Dit opent nieuwe mogelijkheden voor biomoleculair en biomedisch onderzoek, maar ook voor onderzoek naar batterijen, elektrolyse of katalysatoren, zegt Sense Jan van der Molen, hoogleraar natuurkunde in Leiden. Voor het ontwikkelen van de techniek ontving zijn onderzoeksgroep 1,5 miljoen euro uit de Europese FET-subsidiepot (Future and Emerging Technologies).
Het idee is om de nanometer-resolutie van elektronenmicroscopen te combineren met het gemak en de niet-destructieve eigenschappen van lichtmicroscopie. Van der Molen: 'Het doel is om levende processen te filmen, zonder dat je schade doet.
Biologische weefsels
Een gewone lichtmicroscoop werkt zo: je schijnt licht, ofwel elektromagnetische golven, op het onderwerp dat je wilt onderzoeken. De terugkaatsende lichtgolven leveren de afbeelding op.
Zichtbare lichtgolven zijn gemakkelijk hanteerbaar, en onschadelijk voor biologische weefsels. Maar omdat de lichtgolven zelf afmetingen hebben van iets minder dan een micrometer, zijn kleinere details op deze manier niet te onderscheiden.
Een veel hogere resolutie is te bereiken met een elektronenmicroscoop. Elektronen zijn volgens de quantummechanica ook golven, met een veel kleinere golflengte dan die van licht. Elektronenbundels kunnen dus voorwerpen in beeld brengen met hogere resoluties.
Een nadeel is wel dat daarvoor vacuüm-omstandigheden nodig zijn, wat slecht te combineren is met de zachte, waterige omgeving van eiwitten. Bovendien beschadigt de elektronenbundel het monster al snel, zegt Van der Molen, 'zachte materialen zoals eiwitten zijn eigenlijk niet af te beelden zonder schade.'
Omgekeerde beeldbuis
Een paar jaar geleden bedacht Thomas Juffmann, leider van de Weense groep, een manier om het beste van beide werelden te combineren: het gemak en de onschadelijkheid van licht, met de resolutie van elektronen.
De truc is om gebruik te maken van het foto-elektrisch effect. Licht dat op een metaal invalt, maakt elektronen los. Met dit effect, waar Albert Einstein overigens ooit zijn Nobelprijs voor kreeg, kun je een laagje metaal inzetten als een soort omgekeerde televisie-beeldbuis: het invallende licht wordt vertaald in een patroon van uitgezonden elektronen. Met de Low Energy Electron Microscope (LEEM) van de groep Van der Molen, kunnen die elektronen vervolgens afgebeeld worden.
Maar hoe zit het dan met die beperkte resolutie van licht? 'Die beperking geldt alleen voor het verre veld, maar wij meten het nabije veld', verduidelijkt Van der Molen. Het verre veld, dat zijn alle elektromagnetische trillingen die zich als golven voortplanten, die we kennen als zichtbaar licht. Maar dichterbij bestaan ook andere elektromagnetische trillingen, die echter snel uitdoven op grotere afstanden. Dit zogeheten nabije veld heeft geen last van de resolutie-beperkingen, maar kan alleen heel dicht bij het monster gemeten worden. Van der Molen: 'daarom moet je zo dicht mogelijk tegen het object aanzitten. Hoe dichterbij, hoe beter je resolutie.'
Spontaan ontbranden
Het te onderzoeken object zit dus vlakbij een materiaal waarin licht gemakkelijk elektronen losmaakt. Van der Molen: 'Daarvoor moet je de meest onedele metalen hebben, zoals kalium en lithium.' Technisch gezien is dat lastig, want zulke metalen zijn chemisch volkomen instabiel. In de lucht ontbranden ze spontaan.
Om te kunnen functioneren in het binnenste van een extreem gevoelige microscoop, zal het laagje afgeschermd moeten worden, mogelijk met een dun laagje grafeen. Hoe het allemaal precies gaat werken, is het onderwerp van het onderzoek, waarmee een promovendus, twee postdocs en een technicus jaar aan het werk gaan. Ook is er geld voor nieuwe apparatuur.
In het internationale onderzoeksproject brengt de Weense onderzoeksgroep optische kennis in, Leiden de elektronenmicroscopie, mede via deeltijdhoogleraar Ruud Tromp, en de onderzoeksgroep in Praag is gespecialiseerd in te onderzoeken eiwitten. Ook het Duitse bedrijf SPECS, gespecialiseerd in wetenschappelijke meetapparatuur, doet mee.