Langzeit-Supermikroskopie

Nanographene ermöglichen längere Beobachtungszeiten

Der Nobelpreis für Chemie 2014 wurde für die Entwicklung der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie, einschließlich der STED-Mikroskopie (Stimulated Emission Depletion), verliehen. Mit dieser Methode können Prozesse, z. B. in Zellen, mit besonders hoher Auflösung beobachtet werden. Forschende am Max-Planck-Institut haben diese Methode nun weiterentwickelt, indem sie herkömmliche Fluorophore durch Nanographene ersetzt haben. Dadurch können nun auch Prozesse mit längerer Dauer beobachtet werden, wodurch eine bisherige Einschränkung der STED-Mikroskopie überwunden wurde.

Die Auflösung herkömmlicher Mikroskope ist auf etwa 200 nm begrenzt, wie der Physiker Ernst Abbe im 19. Jahrhundert beschrieb. Interessante Prozesse finden jedoch auf einer Längenskala unterhalb dieser Grenze statt, insbesondere in biologischen Zellen. Die STED-Mikroskopie überwindet diese Grenze und erreicht eine bis zu zehnmal bessere Auflösung als herkömmliche Methoden.

Bei der STED-Mikroskopie werden kleine fluoreszierende Partikel – Fluorophore – in der Probe verwendet, die mithilfe eines Anregungslasers leuchten (Fluoreszenz). Ein zweiter Laserstrahl mit einem ringförmigen Querschnitt kann die Fluoreszenz in einem ringförmigen Bereich deaktivieren, sodass nur ein kleiner zentraler Fleck (kleiner als 200 nm) noch leuchtet. Durch das Scannen dieser Strahlkombination über die Probe wird ein hochauflösendes Bild erzeugt.

Die größte Einschränkung der herkömmlichen STED-Mikroskopie war das Ausbleichen von Fluorophoren bei längerer Beleuchtung. Dies ist besonders problematisch bei der Beobachtung von Langzeitprozessen, die wiederholtes Scannen erfordern. Forschende unter der Leitung von Xiaomin Liu am MPI für Polymerforschung haben in Zusammenarbeit mit Akimitsu Narita und Ryota Kabe vom Okinawa Institute of Science and Technology dieses Problem durch die Verwendung von Nanographen-Partikeln in Nanometergröße gelöst. Bei Nanographenen kann der Prozess des Ausbleichens der Fluoreszenz direkt in der Probe rückgängig gemacht werden. Zu diesem Zweck wird das Nanographen mit dem ringförmigen Strahl beleuchtet: Diese Beleuchtung stellt sozusagen die Fähigkeit des Nanographens wieder her, zu fluoreszieren.

Diese neue Methode, die in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications vorgestellt wurde, eröffnet neue Möglichkeiten, bisher nicht beobachtbare Prozesse mithilfe der Superauflösungsmikroskopie zu untersuchen. Die Fähigkeit, Nanographene mit einer hohen Photonenzahl zu reaktivieren, macht sie ideal für Langzeit-Mikroskopieverfahren und erweitert möglicherweise ihre Anwendungen in der Biologie und den Materialwissenschaften.