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Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen

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STED - Mikroskopie jenseits optischer Grenzen

Stefan Hell (Chemie-Nobelpreis 2014): STED - Lichtblicke in die Nanowelt

Schärfer als das Licht erlaubt

STED-Mikroskop: Das Bild zeigt, wie der Laserstrahl die Probe abrastert. Bild vergrößern
STED-Mikroskop: Das Bild zeigt, wie der Laserstrahl die Probe abrastert.

Nun ist noch die Frage offen, wie das Dunkelschalten der Farbstoffmoleküle funktioniert. Dabei hilft die Quantenphysik. Im einfachsten Fall ist es ein Effekt, den Albert Einstein 1916 vorhersagte. Er heißt stimulierte Emission. Atome und Moleküle besitzen erlaubte Quantenzustände, in denen sich Elektronen einer bestimmten Wellenlänge aufhalten dürfen. Da Wellenlänge und Energie in der Quantenwelt direkt miteinander verknüpft sind, bilden diese Quantenzustände eine Energieleiter für Elektronen. Fällt ein Elektron von einem höheren Zustand, sozusagen einer höheren Sprosse, in einen niedrigeren Zustand näher am Atomkern, dann setzt es Energie in Form eines Lichtquants (Photon) frei. Dessen Wellenlänge passt exakt zu dem Energiesprung. Dieser Vorgang heißt Emission und passiert immer dann, wenn Materie leuchtet. Normalerweise springen die Elektronen irgendwann zufällig auf die untere Leitersprosse. Bei der stimulierten Emission jedoch rüttelt ein vorbei fliegendes Photon mit exakt passender Wellenlänge an einem Elektron auf der höheren Sprosse und lässt es auf die tiefere Sprosse der Energieleiter fallen. Die Anregungsenergie des Moleküls nimmt ein dabei erzeugtes Zwillingsphoton mit.

Das Prinzip Zwillingsphotonen zu erzeugen, nutzt der Laser. Stefan Hell allerdings setzt es genau für das Gegenteil ein: Bei ihm sorgt ein Laserstrahl für einen prasselnden Regen an Photonen auf den 200-Nanometer-Lichtfleck. Ihre Wellenlänge passt exakt zu dem Quantensprung, mit dem die Elektronen wieder in den Grundzustand gebracht werden können. Mit dieser stimulierten Emission werden die fluoreszierenden, also spontan leuchtenden Farbstoffmoleküle einfach „ausgeknipst". Nur auf einem engen Fleck in der Mitte bleiben sie verschont, so dass sie ungestört fluoreszieren können.

Während also ein erster energiereicher Lichtstrahl für die Anregung der Fluoreszenzmarker sorgt, wird ein zweiter eingesetzt, um die angeregten Fluoreszenzmarker wieder abzuregen, bevor sie Fluoreszenzlicht emittieren. Der Trick, um die höhere Auflösung zu erreichen, besteht darin, diesen zweiten Strahl ringförmig über den ersten zu legen. Dadurch werden vor allem Marker aus dem Außenbereich des ersten Strahls abgeregt und die Fläche des Fluoreszenzflecks verkleinert sich. Dort können die Fluoreszenzmoleküle noch immer ungestört leuchten. Das Lichtfeld der beiden ineinander geschachtelten Strahlen erinnere an „einen Donut", schmunzelt Hell. Dabei lässt sich das Loch in der Mitte beliebig klein machen - es unterliegt nicht mehr dem Abbe`schen Limit. Auf diese Weise haben die Forscher inzwischen eine Auflösung von weit unter 20 Nanometern erreicht - und damit die vermeintliche Auflösungsgrenze der Lichtmikroskopie um mehr als das Zehnfache unterboten.

Hell`s Gruppe gelangen so erstmals, faszinierende Bilder zum Beispiel von Filamenten des Zellskeletts. Der Max-Planck-Forscher hat seine Methode „STED-Mikroskop" getauft. STED steht dabei für das englische Stimulated Emission Depletion. Derzeit entstehen immer neue Varianten des Verfahrens. Sie nutzen andere Quanteneffekte zum „Dunkelschalten" der Farbstoffmoleküle. Inzwischen hat eine bekannte deutsche Firma auch eine kommerzielle Version des STED-Mikroskops auf den Markt gebracht, das nun Einzug hält in zahlreiche Labore. Und so wird uns Stefan Hell`s Idee ganz sicher, neue, tiefe Einsichten in die Nanowelt des Lebens vermitteln.

 
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