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Ein verblüffender Erfolg gelang an der TU Wien: Durch Kombination völlig unterschiedlicher Mikroskopie-Methoden kann man die optische Dichte einer Probe punktgenau messen.
Eigentlich wollte man biologische Proben auf molekularer Skala untersuchen und stieß dabei auf hartnäckige Probleme. Doch dann stellte man fest: Die Ursache für die ärgerliche Messungenauigkeit, der variable Brechungsindex der Probe, kann exakt ermittelt werden und wird damit selbst zum hochinteressanten Messergebnis – wenn man zwei grundsätzlich völlig verschiedene Mikroskopie-Methoden miteinander kombiniert.
Beinahe zufällig gelang es an der TU Wien auf diese Weise, eine neuartige Mikroskopie-Technik zu entwickeln, mit der man den Brechungsindex biologischer Proben messen kann – und zwar mit einer Auflösung weit unterhalb dessen, was Lichtmikroskopie nach herkömmlicher Theorie erlauben sollte.
Der Trick für Auflösung unterhalb der Wellenlänge
Was passiert, wenn man zwei Moleküle fotografieren möchte, deren Abstand kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts? Dann wird man keine zwei getrennten Punkte sehen, sondern einen einzigen Lichtblob – die Bilder der beiden Moleküle überlagern sich, ganz egal, wie präzise das Mikroskop arbeitet.
Es gibt aber einen Ausweg – die sogenannte „Einzelmolekül-Mikroskopie“. Man baut gezielt spezielle Moleküle in die Probe ein, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten blinken. Jedes von ihnen erzeugt in der Kamera eine kleine Lichtscheibe, wenn man das Zentrum dieser Scheibe ausmisst, weiß man sehr genau, wo das Molekül sitzt. Auch wenn sich ein anderes Molekül innerhalb derselben Scheibe befindet – wenn sie nacheinander aufleuchten und getrennt voneinander gemessen werden können, kann man sie beide präzise abbilden. Während ihre Bilder in einem gewöhnlichen Mikroskop-Bild einfach miteinander verschwimmen würden, erlaubt diese Methode extrem hochauflösende Abbildungen.
„Die Lichtscheiben, die man auf diese Weise misst, sind allerdings nicht immer gleich groß“, sagt Prof. Gerhard Schütz vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Die Größe der Lichtscheibe hängt etwa davon ab, wie nahe sich das Molekül an der Fokusebene der Kamera befindet.“ Ursprünglich wollte man genau dieses Phänomen als nützliche Informationsquelle nutzen: Wenn man aus der Größe der Lichtscheiben den Abstand des Moleküls ermitteln könnte, dann ließe sich theoretisch aus den Lichtscheiben ein 3D-Bild erzeugen. Doch bald zeigte sich: Ganz so einfach ist das nicht.
Ändert sich der Abstand – oder der Brechungsindex?
„Das Problem ist, dass die Größe der Lichtscheiben auch vom Brechungsindex des Materials abhängt“, erklärt Gerhard Schütz. Nicht jedes Material lässt Lichtstrahlen gleich schnell passieren, genau dieser Effekt führt dazu, dass Licht von Prismen oder Linsen abgelenkt wird. Man hat also zwei Parameter, die einen Einfluss auf den gemessenen Lichtfleck haben können – Abstand und Brechungsindex.
Doch was ist, wenn man genau aus dieser Not eine Tugend macht? „Wir entschlossen uns, dieses Problem einfach umzukehren“, sagt Gerhard Schütz. „Wir messen die 3D-Struktur unserer Probe einfach auf andere Weise, nämlich mit einem Rasterkraftmikroskop. Dann können wir unsere Lichtaufnahme verwenden, um punktgenau an jeder Stelle unserer Probe den Brechungsindex zu berechnen.“
Neue Messmethode für biologische Materialforschung
So entwickelte das Team der TU Wien in Kooperation mit der Medizinischen Universität Innsbruck eine Technik, mit der man den Brechungsindex biologischer Proben auf einer Skala deutlich unterhalb der Lichtwellenlänge messen kann.
„Das ist gerade bei Kollagen im Gewebe höchst spannend“, sagt Gerhard Schütz. „Kollagen kann unterschiedliche Mengen von Wasser aufnehmen, dementsprechend ändert sich auch der Brechungsindex. Mit unserer Methode kann man nun punktgenau bestimmen, wie viel Wasser sich an welcher Stelle befindet. Auch über die chemische Zusammensetzung des Gewebes können wir Daten erhalten, die bisher nicht direkt zugänglich waren.“
Entstanden ist somit – ausgelöst durch eine fast zufällige Entdeckung – eine neue Verbindung zwischen physikalischer Messtechnik und mikrobiologischer Forschung.
Die Forschungen wurden vom FWF und dem WWTF gefördert, und entstanden aus einer Kollaboration zwischen dem Institut für Angewandte Physik und dem Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik der TU Wien sowie dem Institut für Biomedizinische Physik der Medizinischen Universität Innsbruck.
Prof. Gerhard Schütz
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 13480
gerhard.schuetz@tuwien.ac.at
S. Jaritz et al., Refractive Index Mapping below the Diffraction Limit via Single Molecule Localization Microscopy, ACS Nano 20/1. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.5c17647, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster
Anna Gaugutz und Gerhard Schütz im Labor
Source: TU Wien
Copyright: TU Wien
Criteria of this press release:
Journalists, all interested persons
Biology, Chemistry, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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