Fluoreszenzmikroskopie Super-auflösende Fluoreszenzmikroskopie mit einzelnen Molekülen

Das Auflösungsvermögen der optischen Mikroskopie wird durch das so genannte Abbe’sche Beugungslimit eingeschränkt. Die nacheinander erfolgende Detektion einzelner Moleküle mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie kann diese Beschränkung umgehen und somit die Auflösung drastisch erhöhen.

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Institut für theoretische und physikalische Chemie der TU Braunschweig

Die Entdeckung biologischer Zellen und die Untersuchung ihres Aufbaus waren mit der Erfindung des Mikroskops im 16. Jahrhundert und seiner stetigen Verbesserung verbunden. Bei den ersten Mikroskopen der Renaissance handelte es sich um so genannte Lichtmikroskope. Diese können so konstruiert werden, dass sie einen Gegenstand beliebig vergrößern. Jedoch kann kein Lichtmikroskop Einzelheiten von weniger als einigen hundert Nanometern auflösen. Dies entspricht ungefähr der Hälfte der Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Die meisten Strukturen im Inneren von Zellen sind daher zu klein, um mit dem Lichtmikroskop untersucht werden zu können. Proteine haben z.B. eine Größe von wenigen Nanometern, Proteinkomplexe und kleine Organellen sind 10 bis 100 nm groß.

Diese sichtbar zu machen war erst durch die Entwicklung der Elektronen-mikroskopie in den Dreißigerjahren möglich. Bei dieser Technik wird statt Licht ein Elektronenstrahl genutzt. Da nun die Wellenlänge eines solchen Elektronenstrahls deutlich kürzer ist als die des sichtbaren Lichtes, ist die Auflösung entsprechend höher. Sie liegt im Bereich von weniger als einem Nanometer. Ein großer Nachteil der Elektronenmikroskopie ist jedoch die komplizierte Probenpräparation und die hohe „Invasivität“. Die Anwendung auf lebende Strukturen ist daher nicht möglich. Die einzige Möglichkeit, die Lebensvorgänge in einer Zelle in Detailschärfe mit verfolgen zu können, besteht also darin, das seit dem 19. Jahrhundert als Dogma anerkannte Abbe’sche Beugungslimit auszutricksen. Das wird möglich, wenn das Phänomen der Fluoreszenz zunutze gemacht wird.

Fluoreszenzmikroskopie

Eine besondere Form der Lichtmikroskopie ist die so genannte Fluoreszenzmikroskopie. Als Fluoreszenz bezeichnet man die Eigenschaft bestimmter Stoffe (den so genannten Fluoreszenzfarbstoffen), bei Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge, Fluoreszenzlicht auszusenden. Aufgrund des Farbunterschiedes zwischen dem Anregungslicht und dem Fluoreszenzlicht, lässt sich das Anregungslicht ausblenden. Werden nun bestimmte Strukturen in einer Zelle chemisch mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert, lassen sich diese sehr kontrastreich abbilden (s. Abb. 1). Allerdings gilt natürlich auch für diese Technik das Beugungslimit, sie ist also unscharf.

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