Knipperen of doven: wat doet een moleculaire lamp als hij uit is?
Een kapotte lamp kan op twee manieren stuk zijn: hij kan knipperen of hij kan helemaal uit zijn gegaan. Van de kleinst mogelijke lampjes, fluorescente moleculen, is bekend dat zij veelvuldig knipperen en gemakkelijk kapot gaan. Het bestuderen van de oorzaken hiervan stuit echter op één groot probleem: als je ziet dat de lamp uit is, hoe kun je dan weten of hij alleen knippert of dat hij permanent is gedoofd? Onderzoekers van de Stichting FOM en de Universiteit Twente hebben, gebruik makend van een uniek systeem van gekoppelde moleculen, een onderscheid kunnen maken tussen het knipperen en het doven van één enkel fluorescent molecuul. Hiermee kon het fysische mechanisme van het knipperen achterhaald worden. Verrassend genoeg bleek dat tijdens het knipperen een molecuul veel langer uit kan zijn dan voorheen gedacht en dat veel 'gedoofde' moleculen in feite nog steeds aan kunnen springen. Daarnaast bleken het knipperen en het permanent uitdoven van moleculen direct aan elkaar gekoppeld: de meeste moleculen doven door eerst te gaan knipperen. De onderzoekers publiceren hun bevindingen in het vooraanstaande vaktijdschrift Physical Review Letters van 2 september 2005, met het artikel online vanaf 30 augustus. Fluorescente moleculen worden veel gebruikt als markeringseenheid in biologische, chemische en fysische experimenten en kunnen een belangrijke component vormen in minuscule optische draden en schakelaars. Met de kennis uit dit onderzoek wordt het mogelijk om fluorescente moleculen te ontwerpen die minder knipperen en langer blijven werken.
Fluorescentie en detectie van afzonderlijke moleculen
Een fluorescent molecuul dat wordt beschenen met laserlicht kan een deel van de energie van de laserbundel absorberen. Door deze absorptie komt het molecuul in een toestand met hogere interne energie. Een deel van deze energie raakt verloren in trillingen van het molecuul en zijn omgeving, de rest van de energie kan het molecuul uitzenden als licht van een andere kleur, het fluorescentielicht. Dit fluorescentielicht kan worden gebruikt om het molecuul te detecteren in een niet-fluorescente omgeving. Een algemene eigenschap van het licht van één enkel molecuul is dat het af en toe stopt met licht uitzenden: het molecuul knippert. Ook kan het fluorescente molecuul permanent beschadigd raken en helemaal stoppen met het uitzenden van licht. Over de oorzaken van het knipperen van moleculen is nog maar weinig bekend en ook de manier waarop een molecuul uiteindelijk dooft is grotendeels onduidelijk. Experimenteel is het niet vast te stellen of een fluorescent molecuul dat uit gaat, weer zal oplichten of dat het permanent uit blijft.
Gekoppelde moleculen
Als twee of meer fluorescente moleculen in elkaars nabijheid worden gebracht, ontstaat een wisselwerking tussen deze moleculen: het ene molecuul 'voelt' dat het andere in een toestand met hogere interne energie is gebracht. Deze wisselwerking kan ertoe leiden dat de energie overspringt van het ene naar het andere molecuul zonder dat daarbij licht wordt uitgezonden. Als de wisselwerking tussen de moleculen zeer sterk is, kan de energie ook verdeeld worden over de verschillende moleculen: deze gedragen zich dan als één optisch systeem dat gezamenlijk licht absorbeert en weer uitzendt. Een belangrijk kenmerk van zo'n systeem met sterke wisselwerking is dat de optische eigenschappen van het gezamenlijke systeem anders zijn dan die van de afzonderlijke moleculen. De tijd die verstrijkt tussen absorptie van licht en het uitzenden van de fluorescentiestraling, de levensduur, is aanzienlijk korter, er wordt meer licht uitgezonden en de kleur van het uitgezonden licht is ook anders. Deze combinatie van effecten heet superstraling.
De onderzoekers *) hebben de veranderde optische eigenschappen van een superstralend systeem gebruikt om onderscheid te kunnen maken tussen knipperen en doven. Als één van de moleculen dooft, zijn er minder wisselwerkende moleculen en bijgevolg wordt de superstraling minder. De intensiteit van het gedetecteerde fluorescente licht gaat omlaag en de levensduur omhoog. Echter, als een molecuul niet dooft maar knippert, knippert het hele superstralende systeem: er wordt geen fluorescent licht gedetecteerd tot het molecuul weer aan springt. Op deze manier is dus direct duidelijk of er sprake is van doven of van knipperen.
Uit de metingen aan superstralende systemen is gebleken dat de uit-periode bij het knipperen veel langer kan duren dan altijd gedacht werd. Waar knipperen vaak wordt geobserveerd op een tijdsschaal van milliseconden, bleek dat het ook meer dan 100 seconden kan duren voor het molecuul weer aanspringt. Dit is veel langer dan een gemiddelde meting op afzonderlijke moleculen en gewoonlijk zou zo'n molecuul dan ook als gedoofd worden beschouwd. Deze extreem lange knippertijden zijn alleen te verklaren als het knipperen ontstaat doordat het molecuul een elektron afstaat aan zijn omgeving. Ook werd een belangrijk verband tussen knipperen en doven ontrafeld: het doven van moleculen bleek met name plaats te vinden als een molecuul knippert. De verklaring hiervoor ligt in de oorzaak van het knipperen. Als een molecuul een elektron heeft afgestaan, blijft het molecuul positief geladen achter. In deze positief geladen toestand is het molecuul veel reactiever dan in neutrale toestand en een chemische reactie zorgt dat het molecuul permanent geen licht meer uit kan zenden.
Fluorescente moleculen worden veel gebruikt als markeringseenheid in biologische, chemische en fysische experimenten en kunnen een belangrijke component vormen in minuscule optische draden en schakelaars. Met de kennis uit dit onderzoek wordt het mogelijk om fluorescente moleculen te ontwerpen die minder knipperen en langer blijven werken.
| *) |
Jacob P. Hoogenboom, Erik M.H.P. van Dijk (FOM), Jordi Hernando, Niek F. van Hulst en María F. García-Parajó, Power-law distributed dark states are the main pathway for single molecule photobleaching.
|