Erzeugung von sub-100nm-Strukturen mittels optischer Lithographie sowie der nichtlinearer Abregung von Molekülen durch stimulierte Emission
Final Report Abstract
Im Rahmen des DFG Projektes ‘Erzeugung von Sub-100 nm Strukturen mittels optischer Lithographie sowie der nichtlinearen Abregung von Molekülen durch stimulierte Emission‘ – kurz „STED-Lithographie“ im DFG-Schwerpunkt Programm 1327 ‘Optisch erzeugte Sub-100 nm Strukturen für biomedizinische und technische Applikationen’ konnte gezeigt werden, dass mit Licht optischer Wellenlänge (780 nm zur Zweiphotonenanregung und 532 nm zur Abregung der Polymerisationsstarter) Strukturgrößen von 55 nm realisiert werden können. Dies ist eine Größenordnung unterhalb der Wellenlänge und ist damit eindeutig unterhalb des nach Abbe beugungsbegrenzten Fokusdurchmessers. Das dem Schwerpunktprogramm 1327 immanente Ziel, auf optischem Wege sub-100 nm Strukturen zu erzeugen, konnte demnach klar erfüllt werden. Neben der Strukturgröße ist die Auflösung ein weiterer wichtiger Parameter. Diese ist in der Lithographie dadurch definiert, dass zwei nebeneinander geschriebene Strukturen noch klar voneinander abgrenzbar sind. Im Projekt konnte eine Auflösung von 120 nm erreicht werden, was in der STED-Lithographie einen Rekordwert darstellt. Neben der grundsätzlichen Etablierung einer optischen sub-100 nm Lithographie ist es auch das erklärte Ziel des Schwerpunktprogrammes, biomedizinische oder technische Applikationen aufzuzeigen. Konkret ist im Teilprojekt gezeigt worden, dass mit Hilfe der STED- Lithographie auf Glasträgern nanoskalige Ankerpunkte für einzelne Proteine geschaffen werden können. Das gezielte Anbieten von einzelnen Proteinen, insbesondere von einzelnen Antigenen oder Antikörpern, eröffnet einen weiten Bereich der biomedizinischen Forschung. So könnten zum Beispiel Studien durchgeführt werden, bei der die Fragestellung lautet, wie viele Antigene notwendig sind, um eine spezifische Reaktion einer Zelle auszulösen. Konkret wurde wie folgt vorgegangen, um die Beladung der „Nano-Ankerpunkte“ mit einzelnen, mit Farbstoffen markierten Antikörpern nachzuweisen: Auf einem mit Poly-Ethylenglykol gegen die unkontrollierte Anheftung von Antikörpern passivierten Glassubstrat wurden einzelne nanoskalige Acrylpunkte mit Durchmessern von 60 nm geschrieben. Während der Inkubation mit Antikörpern bleiben diese nur an den Nanoankern, nicht aber am passivierten Substrat hängen. Die Anzahl der Antikörper pro Nanoanker wurde mit verschiedenen, voneinander unabhängigen Techniken quantifiziert: sub-Abbe Mikroskopie mit stochastischer Lokalisierung (dSTORM), Quantifizierung der Fluoreszenz und eine statistische Auswertung der Fluoreszenzstärke pro Ankerpunkt ergeben konsistent, dass einerseits 98% aller Nanoanker mit mindestens einem Antikörper funktionalisiert sind und andererseits 80% aller Nanoanker nur einen fluoreszenzmarkierten Antikörper tragen. Nanoanker mit nur einem fluoreszenzmarkierten Antikörper zeigen zudem das für die Einzelmolekülspektroskopie deterministische binäre An/Aus-Blinken. Ein bereits veröffentlichter Artikel behandelt Arbeiten, bei denen, allerdings „nur“ mit reiner Zweiphotonenpolymerisation, gezeigt worden ist, dass natives Kollagen strukturiert werden kann.
Publications
- 120 nm resolution and 55 nm structure size in STED-lithography. Optics Express 21 (9), 10831-10840 (2013)
R. Wollhofen, J. Katzmann, C. Hrelescu, J. Jacak, T.A. Klar
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.21.010831) - 120 nm resolution and 55nm line width achieved in visible light STED-lithography. CLEO Europe, München, Deutschland, 12. – 16. Mai 2013
T. A. Klar, R. Wollhofen, J. Jacak
- Applications of sub 100 nm STED Lithography in Nano- and Biophotonics. EOS Conference on Optics at the Nanoscale, Capri, Italien, 12. – 14. September 2013
Richard Wollhofen, Moritz Wiesbauer, Kurt Schilcher, Jaroslaw Jacak, Thomas A. Klar
- Multi-photon structuring of native polymers: A case study for structuring natural proteins. Engineering in Life Sciences 13, 368-375 (2013)
M. Gebinoga, J. Katzmann, U. Fernekorn, J. Hampl, F. Weise, M. Klett, A. Läffert, T. A. Klar, A. Schober
(See online at https://doi.org/10.1002/elsc.201200152) - Nano-confined protein anchors, structured by STED lithography, probed by dSTORM. BIOS, Photonics West, San Francisco, USA 2. – 7. Feb. 2013
Jaroslaw Jacak, Richard Wollhofen, Kurt Schilcher, Thomas A. Klar
- Nano-confined Polymer Structures for Protein Adhesion. LASE, Photonics West, San Francisco, USA, 1. – 6. Februar 2014
Moritz Wiesbauer, Richard Wollhofen, Kurt Schilcher, Jaroslaw Jacak, Thomas A. Klar
