Stel je voor dat je kon luisteren naar wat er binnenin een cel gebeurt. Hoe zou dat klinken? Een ratjetoe van geluid, als een op volle toeren draaiende fabriek? Of misschien wel als een stille, mysterieuze onderwaterwereld? De gedachte om naar een cel te luisteren, prikkelt de fantasie. Misschien wordt het binnenkort werkelijkheid, nu Duitse onderzoekers een ‘nano-oor’ hebben ontworpen dat zó gevoelig is dat het zelfs de minuscule trillingen van cellen en virussen kan waarnemen.

Hier schematisch een optisch pincet. Laserbundels worden met een lens gefocust naar één punt. Het elektrisch veld van het laserlicht oefent een kracht uit op kleine deeltjes, zodat ze naar het smalste punt in de bundel worden getrokken.

JPK Instruments

JPK Instruments

Optisch pincet

Het gevoelige oor is gebaseerd op het idee van een optisch pincet (in het Engels: ‘optical tweezer’). Met deze techniek, uitgevonden in de jaren tachtig, houd je kleine deeltjes vast met gefocuseerde laserbundels, vergelijkbaar met hoe je een stukje vlees vasthoudt met stokjes. Laserlicht oefent een kracht uit op een deeltje: het deeltje wordt naar het smalste punt in de bundel geduwd – het brandpunt.

Met meerdere laserbundels tegelijk kun je een deeltje dus op één bepaalde plek vasthouden, zonder dat je het kapot maakt. Dit maakt het optisch pincet tot een populair stukje gereedschap in de biologie en nanotechnologie. Je kunt er goed biologische deeltjes als DNA mee bestuderen en bewerken, bijvoorbeeld om te zien welke krachten nodig zijn om ze uit te rekken.

Een team van de Ludwig Maximilians Universiteit in München laat nu zien dat je zo’n optisch pincet ook als geluidsdetector kunt gebruiken. Hoe werkt dat precies?

Heen en weer schommelen

Geluidsgolven planten zich voort als trillingen in een medium. Om een geluid te horen, moet je dus op de een of andere manier deze trillingen registreren. Het trommelvlies in ons oor heeft die functie bijvoorbeeld. De Duitse onderzoekers hebben een goudbolletje in water met een optisch pincet vastgehouden en gekeken hoe het deeltje gaat wiebelen als er geluidsgolven passeren. Net als een bootje dat heen en weer schommelt op golven van de zee.

Een artistieke impressie van het nano-oor. Links in de rode bundel wordt het goudbolletje vastgehouden. Het beweegt heen en weer door de geluidsgolven afkomstig van de trillende goudbolletjes in de groene bundel.

Ohlinger et al., Phys. Rev. Lett. 108, 018101 (2012)

Ohlinger et al., Phys. Rev. Lett. 108, 018101 (2012)

De geluidsbronnen waren een naaldje dat trilde met 300 hertz en naburige goudbolletjes die door verwarming van laserlicht trilden met 20 hertz. Met een videocamera zagen de onderzoekers hoe het gevangen goudbolletje heen en weer begon te schommelen. De frequentie waarmee het bolletje dat deed bleek perfect overeen te komen met de frequentie van het geluid. Bovendien ging het schommelen in de richting van waar het geluid vandaan kwam.

Volgens de onderzoekers tonen deze bevindingen aan dat het deeltje specifiek op de geluidsgolven reageerde en niet op iets anders. Dat het nano-oortje deze trillingen kan voelen maakt het de gevoeligste geluidendetector die ooit is gemaakt. Het kan een miljoen keer zachtere geluiden waarnemen dan wat wij met onze oren kunnen horen. De onderzoekers denken dat je met deze techniek geluiden kunt opvangen afkomstig van levende cellen of virussen.

Akoestische microscoop

Een interessant idee dat breed wordt gedragen door andere wetenschappers. Misschien is er een nieuwe onderzoekstak van ‘akoestische microscopie’ geboren. Eerder is al waargenomen dat levende cellen kunnen trillen, maar nog nooit is met een microfoon geluisterd naar deze geluiden. Wie weet leert het ons ook meer over het effect van ziekte op cellen. Zo werd een paar jaar geleden ontdekt dat rode bloedcellen minder trillen als ze door de malariaparasiet geïnfecteerd zijn, omdat de infectie de cellen stijver maakt. Een akoestische microscoop kan in zo’n geval wellicht meer informatie geven.