Kleiner als erlaubt

News: Kleiner als erlaubt

Im Grunde beschränkt die Wellenlänge des Lichts das Auflösungsvermögen eines optischen Mikroskops. Strukturen, die kleiner als etwa die halbe Wellenlänge sind, lassen sich deshalb eigentlich gar nicht mehr abbilden. Doch mit einigen Tricks geht es eben doch, und so gelang es nun zwei Forschern eine nur 33 Nanometer große Bakterienprobe abzulichten - was lediglich einem Dreiundzwanigstel der Wellenlängen des verwendeten Lichts entsprach.

Thorsten Krome

Vor mehr als hundert Jahren versuchte Ernst Abbe, Physikprofessor in Jena und Direktor der Firma Carl Zeiss, das Auflösungsvermögen von optischen Mikroskopen zu verbessern und stieß dabei schließlich an eine physikalische Grenze. Abbe meinte, dass sich Licht aufgrund seiner Welleneigenschaften nicht auf einen beliebig kleinen Punkt fokussieren lässt, da dieser stets von Beugungseffekten verzerrt wird. Etwa die halbe Wellenlänge wäre die kleinste Größe, die sich noch abbilden ließe.

Deshalb versuchten Forscher in der Folgezeit das Auflösungsvermögen von Mikroskopen in erster Linie zu verbessern, indem sie immer kleinere Wellenlängen wählten, mit denen sie beobachteten. Als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts ausgeschöpft waren, kamen Ernst Ruska und seine Kollegen auf die Idee, Elektronen zur Abbildung zu nutzen, da diese mit noch kleinerer Wellenlänge zur Verfügung stehen. Das Elektronenmikroskop war geboren. Weitere Methoden wie beispielsweise die Rastersondenmikroskopie zeigten alsbald sogar atomare Strukturen.

Aber auch die Lichtmikroskopie hat sich weiterentwickelt, insbesondere in den letzten Jahre, und so gelang es Thomas Klar und Stefan Hell vom Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie bereits vor drei Jahren, die Abbe'sche Grenze mit einer trickreichen optischen Apparatur zu überwinden. Nun haben Hell und sein Kollege Marcus Dyba die Methode weiter verfeinert und erreichten so ein Auflösungsvermögen von einigen Dutzend Nanometern, wie sie an dem Bakterium Bacillus megaterium eindrucksvoll unter Beweis stellten. Doch wie funktioniert diese Methode?

Zunächst einmal bescheint ein Laserpuls einen kleinstmöglichen Punkt einer Probe und regt dort einen Farbstoff zum Fluoreszenzleuchten an. Ein zweiter Laserpuls, dessen Wellenlänge etwas größer ist, wird danach auf einen Punkt fokussiert, der mit dem ersten etwas überlappt. Der zweite Puls hat dabei keine anregende Wirkung mehr, vielmehr löst er in dem Farbstoff die stimulierte Emission von Photonen aus – ein Prozess, der beispielsweise bei der Erzeugung von Laserlicht benötigt wird. Hier sorgt die stimulierte Emission aber dafür, dass ein Teil der zuerst beschienenen Fläche wieder in den Grundzustand gelangt. Mit anderen Worten: Ein Teil des leuchtenden Punkts wird mit dem zweiten Laser ausgeknipst.

Allein mit dieser Technik ließ sich vor drei Jahren schon die ursprünglichen Auflösungsgrenze auf ein Zehntel reduzieren. Doch damit nicht genug, mit einem weiteren Schritt halbierten die Forscher die Größe noch einmal: Dazu schickten sie noch einmal zwei Laserpulse gleichzeitig auf die Probe. Auch diese Pulse dienten nicht mehr zur Anregung des Farbstoff; sie wurden an der Probe reflektiert und bildeten aufgrund von Interferenz zusammen eine stehende Welle, die wiederum als Filter für das emittierte Fluoreszenzlicht der Probe wirkte. So gelangte lediglich Licht von einem Dreiundzwanzigstel des anfangs beschienen Flecks zum Detektor der Apparatur – einem Punkt von 33 Nanometern Durchmesser.

"Das ist das erste Mal, dass ein fokussierendes Lichtmikroskop diesen Bereich von einigen zehn Nanometern Wellenlänge erreicht", freut sich Hell. Die Forscher verwendeten Licht aus dem sichtbaren beziehungsweise nahen infraroten Bereich, das gut zu dem Fluoreszenz-Farbstoff passte. Sie sind aber optimistisch, dass sich auch noch kleinere Strukturen von 17 Nanometer abbilden lassen, wenn man ultraviolettes Licht nutzt. Neben der Mikroskopie könnten auch optische Aufzeichnungsverfahren von der Methode profitieren, denn auch hier versuchen Physiker immer kleinere Strukturen zu schreiben und zu lesen.