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News: Schärferer Blick für Mikroskope

Mit Lichtmikroskopen kann man das Innere von transparenten Objekten studieren. Die optische Qualität wurde im Laufe der Zeit immer weiter perfektioniert, und doch hatte das Auflösungsvermögen eine Grenze erreicht, die ungefähr den Ausmaßen von großen Viren entspricht. Schuld daran ist die Beugung der Lichtwellen an Öffnungen. Göttinger Wissenschaftlern ist es jedoch gelungen, mit einer neuen Methode auch noch kleinere Objekte trennscharf sichtbar zu machen.
In der Fluoreszenzmikroskopie markieren Wissenschaftler die gesuchten Strukturen mit Farbstoffen. Diese Moleküle lassen sich mit Licht einer bestimmten Wellenlänge anregen, wobei Elektronen in einen höheren Energiezustand gehoben werden. Innerhalb von wenigen Nanosekunden fallen sie auf ihren Grundzustand zurück und geben die dabei freiwerdende Energie als Licht einer anderen Wellenlänge ab. Wird ein angeregtes Molekül jedoch vorher von einem weiteren Photon getroffen, dessen Energie genau der Energiedifferenz zwischen dem angeregtem und dem Grundzustand entspricht, dann kehrt das Elektron sofort zurück. Dabei wird die Emission eines Photons induziert, das genau dieselbe Wellenlänge wie das einfallende Photon hat. Diesen Vorgang nennt man induzierte oder stimulierte Emission.

Die Lichtwellen werden im Mikroskop an Öffnungen – wie zum Beispiel einer Blende – gebeugt. Daher lag die maximale Trennschärfe der optischen Mikroskopie bisher bei etwa zweihundert Nanometern – das entspricht ungefähr dem Durchmesser eines großen Virus.

Stefan Hell und Thomas Klar vom Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen haben einen neuen Weg gefunden, die Auflösung von Fluoreszenz-Mikroskopen zu erhöhen. Wie die Wissenschaftler am 15. Juli 1999 in den Optics Letters (Artikel als pdf-Datei) berichteten, regen sie die Moleküle des Fluoreszenzfarbstoffes zunächst mit einem Laserstrahl an. Kurz darauf wird ein zweiter Strahl ausgesendet, der die Probe an fast derselben Stelle trifft. Die Wissenschaftler zwingen die Moleküle also durch stimulierte Emission, früher in ihren Grundzustand zurückzuspringen, als sie es spontan tun würden. Auf diese Weise haben die Forscher praktisch in der Überlappungszone das Licht "ausgeknipst" – denn wenn die vom zweiten Laserstrahl nicht erfaßten Moleküle Fluoreszenzlicht aussenden, ist das Leuchtfeuer der zweimal beleuchteten Farbstoffe bereits vorbei. Der ursprünglich runde Lichtfleck im Mikroskop ist dann auf einer Seite enger. Mit den beiden Laserstrahlen könnte man also über die Probe gleiten und so Strukturen erkennen, die sonst unter der Auflösungsgrenze liegen. Die Forscher haben vor, durch die Anordnung mehrerer seitlich versetzter stimulierender Strahlen oder einen Ring den Leuchtfleck in allen Raumrichtungen zu verkleinern.

Hell und seine Mitarbeiter demonstrierten die Technik mit dem Farbstoff Pyridin. Mit einem ultravioletten Laserstrahl erzeugten sie Fluoreszenz in den Nanokristallen. Als sie den zweiten Strahl zuschalteten, wurden aus dem vorher unscharfen Fleck von zwei Pyridinkristallen zwei deutlich getrennte Signale. Die Auflösung verbesserte sich damit soweit, daß Kristalle voneinander unterschieden werden können, die nur einhundert Nanometer auseinanderliegen.

Peter So vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge denkt, daß eine Auflösung bis zu dreißig Nanometern erreichbar ist. Damit wäre es möglich, die Struktur von einzelnen DNA-Molekülen zu erkennen. Fortschritte wie die von Hell und seiner Arbeitsgruppe sind für So ein Zeichen, "daß wir uns mitten in einer Renaissance der optischen Mikroskopie befinden".

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