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Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Veröffentlicht am 24. April 2017, 17:01 Uhr
Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch „Nanoskopie“ genannt, mit herkömmlichen Mikroskopen ermöglicht. Bei der Nanoskopie wird die Position einzelner fluoreszierender Moleküle mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern, also dem Millionstel eines Millimeters, bestimmt. Aus diesen Informationen lassen sich dann Bilder mit einer Auflösung von ungefähr 20 bis 30 Nanometern, und damit etwa zehn Mal schärfer als in der herkömmlichen Mikroskopie, erstellen. Bislang mussten für diese Methode teure Spezialgeräte genutzt werden. Das neuartige „Nanoskopie auf dem Chip“-Verfahren ist von den Universitäten Bielefeld und Tromsø zum Patent angemeldet. Die Studie dazu veröffentlichen die Forscher am 24. April 2017 im Magazin „Nature Photonics“.

´Neue Darstellungsmöglichkeit: Die Standardauflösung (links), Hochauflösung und Superauflösung mittels Chip-Verfahren (Mitte, rechts).
Neue Darstellungsmöglichkeit: Die Standardauflösung (links), Hochauflösung und Superauflösung mittels Chip-Verfahren (Mitte, rechts). Foto: Universität Bielefeld / Robin Diekmann
Dr. Mark Schüttpelz von der Universität Bielefeld und Dr. Balpreet Singh Ahluwalia (Universität Tromsø) haben den photonischen Wellenleiter-Chip erfunden. Professor Dr. Thomas Huser und Robin Diekmann aus der Arbeitsgruppe Biomolekulare Photonik an der Universität Bielefeld haben das neue Konzept mitrealisiert. Durch die Erfindung kann der experimentelle Aufwand nun reduziert werden: Eine Probe wird direkt auf einem etwa Objektträger-großen Chip beleuchtet. Das Signal wird senkrecht dazu mit einem Objektiv und einer Kamera erfasst. Die gewonnenen Messdaten lassen sich als super-aufgelöste Bilder rekonstruieren, die verglichen mit Ergebnissen der herkömmlichen Lichtmikroskopie deutlich höher aufgelöst sind.

Das Nanoskopie-Verfahren auf dem Chip ist auch mit herkömmlichen Mikroskopen möglich.
Das Nanoskopie-Verfahren auf dem Chip ist auch mit herkömmlichen Mikroskopen möglich. Foto: Universität Bielefeld / Matthias Simonis

Während die etablierte Nanoskopie lediglich in der Lage ist, Bruchteile von Zellen bis hin zu wenigen Zellen simultan sichtbar zu machen, lassen sich durch die Nutzung der photonischen Chips nun mehr als 50 Zellen super-aufgelöst in einer Aufnahme abbilden. „Die Erfindung des neuen Chip-Verfahrens ist ein Paradigmen-Wechsel in der Mikroskopie und ermöglicht nun eine größere Verbreitung der Nanoskopie in Wissenschaft, Forschung und der Anwendung im Alltag“, sagt Dr. Mark Schüttpelz.
Bisherige Nanoskopie-Verfahren seien extrem komplex, teuer und brauchten intensiv geschulte Anwenderinnen und Anwender. Diese Einschränkungen hätten bisher einen Einzug der Nanoskopie in Standardlabore der Biologie und Medizin - auch in Krankenhäuser und Analyselabore - verhindert, und nur in weltweit hochspezialisierten Einrichtungen ermöglicht.

Die Erfindung des „Nanoskopie auf dem Chip“-Verfahrens durch die Forscher aus Bielefeld und Tromsø reiht sich ein in eine lange Geschichte der Mikroskopie- und Nanoskopie-Entwicklung:
  • 1609 erfand Galileo Galilei die Lichtmikroskopie.
  • Im Jahr 1873 entdeckte Ernst Abbe die fundamentale Eigenschaft, dass die Auflösung eines optischen Systems für sichtbares Licht auf etwa 250 Nanometer begrenzt ist.
  • In den vergangenen Jahren sind gleich mehrere optische Verfahren entwickelt worden, um die Abbe’sche Auflösungsgrenze zu unterschreiten. Der Nobelpreis 2014 in Chemie wurde für die Entwicklung einer Super-Auflösung im Bereich von etwa 20 bis 30 Nanometer vergeben.

Originalveröffentlichung:
Diekmann R., Helle Ø.I., Øie C.I., McCourt P., Huser T.R., Schüttpelz M., Ahluwalia B.S.:
Chip-based wide field-of-view nanoscopy, Nature Photonics, http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2017.55, veröffentlicht am 24. April 2017

Kontakt:
Dr. Mark Schüttpelz, Universität Bielefeld
Fakultät für Physik
Telefon: 0521 106-5445
E-Mail: schuettp@physik.uni-bielefeld.de

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