Messsystem im Nanometerbereich könnte für Anwendungen in der Optoelektronik eingesetzt werden
München - Ein deutsch-israelisches Forschungsteam hat eine Methode entwickelt, um den Photostrom eines einzelnen Moleküls zu messen. Die Physiker konnten zeigen, dass ein einzelnes Photosystem-Protein als Baustein in photoaktive Nanoschaltkreise integriert und direkt angesteuert werden kann. Dabei behält das Protein seine optischen Eigenschaften. Es fungiert als lichtgetriebene hocheffiziente Elektronenpumpe und kann als Stromgenerator in winzigen elektrischen Bauelementen dienen, schreiben die Forscher um Joachim Reichert, Johannes Barth und Alexander Holleitner von der Technischen Universität München und Itai Carmeli von der Tel Aviv University im Journal "Nature Nanotechnology".
Die Wissenschafter untersuchten das Chlorophyll-Protein Photosystem I, welches in den Membranen von Chloroplasten zu finden ist. Pflanzen, Algen und Bakterien nutzen Photosynthese, um Sonnenenergie in chemische Energie umzuwandeln. Die ersten Schritte dieses Prozesses, bei denen das System Licht absorbiert und die aufgenommene Energie in eine Elektronenbewegung, also einen Stromfluss, übertragen wird, findet in photosynthetischen aktiven Proteinen statt, die sich aus Chlorophyllen und Carotinoiden zusammensetzen.
Herausforderungen
Bisher gab es den Angaben der Forscher zufolge kein Messsystem, mit dem man einzelne Moleküle elektrisch kontaktieren und sie gleichzeitig sehr starken optischen Feldern aussetzen konnte und das zudem empfindlich genug war, um diesen geringen Strom aus einem einzelnen Protein zu messen. Zentrales Element der Messvorrichtung sind Proteine, die sich selbst auf einer Oberfläche anordnen und kovalent über eine Cysteingruppe an diese anbinden. Der Photostrom wird dann mit einem sehr dünn mit Metall beschichteten Glasfragment gemessen, wie es in der Nahfeldmikroskopie benutzt wird. Dieses Glasfragment dient gleichzeitig als elektrischer Kontakt und als Lichtquelle. Licht wird durch die Innenseite des Glasfragments zum Protein geleitet und die sehr kleinen optisch angeregten Ströme können gemessen werden.
Durch die winzigen Dimensionen eigne sich dieses System auf der Nanometerskala für Anwendungen in der Optoelektronik, bei dem Licht in elektrischen Strom umgewandelt werden soll. (red, derStandard.at, 4.10.2012)
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Nature Nanotechnology: Photocurrent of a single photosynthetic protein
